Fiche explicative de la leçon: Utilisations des métaux de la période 4 Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à lister et à expliquer les utilisations des métaux du bloc d de la période 4.

Les métaux de la période 4 forment un ensemble d’éléments incroyablement intéressants et importants constituant environ des éléments présents dans la mer et dans la croûte continentale de la Terre. Les éléments de la période 4 sont très solides et vitaux pour l’industrie chimique.

Le pourcentage d’abondance des éléments chimiques dans la croûte continentale terrestre et dans la mer est présenté dans le tableau suivant.

Certains éléments de période quatre sont très rares, tandis que d’autres sont communs. Mais chaque élément de la période 4 a au moins une utilisation importante. Le scandium est très rare et il est utilisé dans les avions, tandis que le fer est le 4ème élément le plus abondant dans la croûte terrestre et on le trouve partout autour de nous car il fait partie de l’alliage qu’est l’acier. Les métaux de la période 4 sont vraiment fascinants, et nous allons étudier chaque métal un par un, en décrivant certaines des utilisations connues, importantes ou intéressantes de ces éléments.

Le premier élément du bloc d de la période 4 que nous allons étudier est le scandium, un métal blanc argenté - illustré ci-dessous - découvert en Scandinavie en 1879.

Nous pouvons rendre les métaux plus solides en les mélangeant avec d’autres métaux pour produire des alliages. De petites quantités de scandium peuvent être mélangées avec de grandes quantités d’aluminium pour fabriquer un alliage avec une grande résistance mécanique, une ductilité élevée et une meilleure résistance à la corrosion. Ces alliages métalliques sont légers et très durs.

Les alliages d’aluminium-scandium ont été développés pour la première fois par l’Union soviétique pendant la guerre froide, étant utilisés dans la fabrication de missiles et des avions de combats MiG. Bien que ces alliages de scandium puissent être utilisés dans d’autres industries en raison de leurs propriétés avantageuses, la relative rareté de ce métal rend son utilisation hors de l’industrie aéronautique économiquement non viable.

Les composés de scandium tels que le triiodure de scandium peuvent être ajoutés aux ampoules à vapeur de mercure pour produire une lumière dont la couleur et l'intensité sont similaires à celles de la lumière du soleil, ce qui est utile lors du tournage de scènes pour le cinéma et la télévision.

À côté du scandium, nous trouvons dans le bloc d de la période 4 l’élément titane, représenté sur l’image ci-dessous. Le titane est un métal léger, mais qui est très solide et résistant à la corrosion.

L’une des principales utilisations du titane est la production d’alliages de titane et d’aluminium. Ces alliages sont très utilisés dans la production d’avions, de blindages et même de vaisseaux spatiaux ! Lorsque le titane est allié avec de l’aluminium, du vanadium et d’autres éléments, les alliages produits ont une résistance élevée à la traction, tout en étant relativement légers et pouvant supporter des températures élevées sans être endommagés.

Le titane est couramment utilisé dans les écrans solaires à base d’oxyde de titane. Le dioxyde de titane est un excellent composé pour écran solaire, car on peut produire des nanoparticules de ce composé, permettant à l’écran solaire de devenir invisible après son application sur la peau. Il a aussi la très bonne réputation de ne pas provoquer l’irritation des peaux sensibles. Ce qui est de première importance pour un écran solaire, bloque très efficacement les rayons ultraviolets A (UVA) et les rayons ultraviolets B (UVB) venant du Soleil.

Bien qu’il y ait de nombreuses utilisations du titane, la dernière que nous allons discuter est l’utilisation du titane dans la construction d’implants dentaires. Les avantages de l’utilisation du titane viennent du fait qu’il est résistant à la corrosion et aussi inactif ; par conséquent, il n’est pas toxique. Le titane et ses alliages sont utilisés en dentisterie en raison de leur légèreté et de leur résistance, ce qui en fait des matériaux bon marché et efficaces à utiliser dans la production d’implants dentaires. La photo ci-dessous montre un modèle de démonstration pour l’enseignement dentaire, avec une vis d’implant dentaire en titane.

Le troisième élément du bloc d de la période 4 du tableau périodique est le vanadium, qui est présent naturellement dans environ 65 différents gisements de minéraux et de combustibles fossiles. Un morceau de vanadium de grande pureté est représenté sur la figure suivante.

Le vanadium est utilisé comme additif métallique dans certains types d’acier. Les aciers contenant des métaux tels que le vanadium et le chrome sont plus durcissables.

Les aciers contenant du vanadium et du chrome sont également incroyablement résistants à la corrosion, ce qui les rend utiles dans la production de ressorts de suspension pour voitures.

Il existe de nombreux composés importants du vanadium, tels que les oxydes de vanadium utilisés dans les industries de la céramique et du verre. Un des oxydes, le pentoxyde de vanadium (), est utilisé comme catalyseur dans le procédé de contact où il oxyde le dioxyde de soufre en formant le trioxyde de soufre. Le pentoxyde de vanadium est également utilisé comme catalyseur dans la fabrication de conducteurs magnétiques puissants et comme colorant utilisé par les industries de la céramique et du verre.

Le chrome est un élément du bloc d, de la période 4 et du groupe 6 qui est peut-être le plus connu pour ses utilisations décoratives car il peut être fortement poli et résiste à la corrosion. L’image suivante montre un cristal de chrome métallique solide.

Le chrome résiste à la corrosion grâce à une couche d’oxyde qui se forme à sa surface lorsque celui-ci entre en contact avec le dioxygène de l’air. La finition incroyablement brillante et esthétique du chrome est due au fait que la structure métallique du chrome métallique est incroyablement uniforme et absorbe et réémet la lumière sans la diffuser.

Le chrome forme également avec le fer un alliage appelé ferrochrome. Le ferrochrome contient de chrome en masse, et est utilisé dans la production de l’acier inoxydable.

Les composés du chrome ont de nombreuses utilisations. Les sels de chrome tels que l’alun de chrome () et le sulfate de chrome(III) sont utilisés dans le procédé de tannage du cuir. Pendant le procédé de tannage, le chrome crée des réticulations entre les fibres de collagène dans la peau de l’animal. Bien que les composés utilisés pour le tannage n’incluent pas le chrome dans son état d’oxydation toxique , il y a toujours un intérêt fort pour le développement de méthodes de tannage qui ne reposent pas sur les sels de chrome qui présentent le risque d’une absorption importante du chrome à travers la peau.

D’autres composés communs du chrome comprennent l’oxyde de chrome(III) () utilisé dans la fabrication des colorants. Le dichromate de potassium () est un oxydant organique commun fréquemment utilisé pour oxyder les alcools primaires afin d’obtenir des acides carboxyliques. Cette réaction d’oxydation s’accompagne d’un changement de couleur bien connu, lorsque la solution de dichromate de potassium à l’origine orange-jaune devient verte. Ce changement de couleur correspond à la réduction des ions chrome vers l’état .

Le cinquième élément du bloc d de la période 4 que nous allons étudier est le manganèse, qui a été isolé pour la première fois en 1774 par le chimiste suédois Johan Gottlieb Gahn. La photo ci-dessous montre des copeaux de manganèse affinés électrolytiquement et un cube de manganèse métallique.

Peut-être que l’utilisation la plus importante du manganèse est dans la fabrication de l’acier où il est considéré comme étant d’une importance critique, car il n’existe pas de substitut satisfaisant pour le manganèse dans de nombreuses applications de la métallurgie. Lorsqu’il est allié avec du fer, on obtient du ferromanganèse. Le ferromanganèse est utilisé comme additif dans de nombreux types d’acier. À lui seul, le manganèse est un matériau très cassant, il est donc plus utile comme alliage.

Le manganèse sous forme de dioxyde de manganèse () est utilisé dans les piles alcalines, ce qui permet la production de cellules primaires assez petites et très performantes. Les recherche actuelles explorent de nouvelles applications en introduisant du manganèse dans les batteries lithium-ion.

Les composés du manganèse pourraient très bien être familiers aux élèves de lycée car une substances telle que le permanganate de potassium () est couramment utilisée comme oxydant. Le permanganate de potassium peut être utilisé comme antiseptique, et la figure suivante montrent la dissolution de cristaux de , d’une couleur caractéristique pourpre foncé, dans un bécher.

Une autre réaction bien connue est la production de dioxygène gazeux à partir de la décomposition catalytique du peroxyde d’hydrogène par le dioxyde de manganèse () : 

Un autre composé utile du manganèse est le sulfate de manganèse(II), qui a de nombreux usages, tels que la production de fongicides, d’antiseptiques, d’engrais, d’émaux, de vernis et de céramiques.

Un dernier usage du manganèse est qu'il peut être allié à l'aluminium pour créer un alliage résistant à la corrosion qui est utilisé dans la fabrication des canettes de boissons gazeuses.

L’un des éléments les plus connus de la période 4 est le fer, que l’homme extrait de son minerai depuis des millénaires.

Il est bien connu que le fer est l’ingrédient clé de l’acier sans lequel on ne pourrait pas fabriquer de nombreux matériaux et objets de la vie quotidienne. Le béton armé, les pylônes électriques, les pistolets, les couteaux et les outils chirurgicaux reposent tous sur différents alliages et matériaux à base de fer.

Le fer est également un important catalyseur. Le minerai de magnétite est la principale source du fer catalytique utilisé dans le procédé Haber-Bosch permettant la fabrication d’ammoniac à l’échelle industrielle. Le fer est également un catalyseur dans la méthode de Fischer-Tropsch de conversion de la vapeur d’eau en carburant liquide.

Le fer est également un matériau magnétique présentant des propriétés ferromagnétiques, ce qui signifie qu’il peut être magnétisé par un champ magnétique externe tout en restant un aimant permanent par la suite.

Dans le groupe 9 et la période 4 du tableau périodique, nous trouvons l’élément cobalt. Le cobalt est un métal dur et brillant souvent obtenu comme sous-produit dans l’extraction du cuivre et du nickel.

Semblable au fer, le cobalt peut lui aussi être magnétisé, conduisant à l’obtention d’aimants incroyablement puissants tels que les aimants en samarium-cobalt (), extrêmement résistants à la démagnétisation. Le cobalt et ses alliages sont également utilisés dans les disques durs et les appareils d’IRM, ainsi que dans les batteries sèches des voitures modernes. La rareté du cobalt peut faire fluctuer le prix de cet élément, ce qui en fait un choix moins recherché pour certaines industries.

Le cobalt possède 12 isotopes radioactifs. Le cobalt 60 est un isotope radioactif du cobalt produit par synthèse et dont la demi-vie est d’environ cinq ans. L’isotope cobalt 60 émet des rayons gamma très pénétrants, permettant son utilisation en médecine pour la stérilisation du matériel et pour le diagnostic et le traitement des tumeurs. L’irradiation des aliments est une autre application de cet isotope. L’irradiation des aliments prolonge la durée de conservation en détruisant les micro-organismes dont la présence rendrait les aliments avariés. Enfin, le cobalt 60 est utilisé pour évaluer la qualité des produits industriels en détectant les fissures dans les tuyaux et dans les soudures.

Le huitième élément de la série des métaux de la période 4 est le nickel. Le nickel est un métal dur et ductile qui forme une couche d’oxyde protectrice lorsqu’il est exposé au dioxygène de l’air.

De nombreuses batteries domestiques rechargeables sont fabriquées avec du nickel. Les batteries au nickel-cadmium ont été inventées il y plus de cent ans en 1899 et elles sont toujours un type très répandu de batteries rechargeables. Le nickel est utilisé pour plaquer d’autres métaux, les protégeant de la corrosion et leur donnant un bel aspect.

Le nickel métallique est également utilisé comme catalyseur dans l’hydrogénation des huiles végétales, un procédé industriel important. Le catalyseur est constitué de nickel finement divisé connu comme le nickel de Raney, nommé d’après Murray Raney (l’ingénieur américain qui a développé ce catalyseur en 1926).

Comme beaucoup d’autres métaux de la période 4, le nickel peut être allié à d’autres métaux. Bien qu’il y ait de nombreux exemples, un exemple remarquable est l’alliage du nickel, du fer et du chrome, qui a une très haute résistance à la chaleur et à la corrosion et qui est utilisé dans les turbines à vapeur des centrales électriques et des fours électriques.

L’avant-dernier élément du bloc d de la période 4 est le cuivre, un métal bien connu et utilisé partout dans le monde pour le câblage électrique, car il est un bon conducteur d’électricité. La couleur distincte du cuivre métallique est montrée dans l’image ci-dessous.

Le cuivre fait partie de deux alliages très connus : le laiton et le bronze. Le bronze est un alliage que l’homme connaît depuis des millénaires, utilisé pour construire des sculptures, fabriquer des instruments de musique et protéger les bateaux en mer en raison de sa résistance à la corrosion. Il existe de nombreux alliages de bronze, mais dans la plupart des cas, le bronze est un alliage de cuivre et d’étain.

Le cuivre métallique est également important dans l’enseignement de la chimie organique en raison de sa présence dans la liqueur de Fehling. La liqueur de Fehling de couleur bleue est utilisée en chimie pour différencier les groupes fonctionnels cétone et aldéhyde, et en biologie pour faire la différence entre les hydrates de carbone hydrosolubles et les composés contenant des cétones. La liqueur de Fehling devient rouge orangé quand le test est positif.

Les composés du cuivre ont également de nombreuses utilisations importantes dans notre société. Le sulfate de cuivre peut être utilisé comme insecticide et fongicide, pouvant être également utilisé comme électrolyte dans l’imprimerie et dans l’industrie métallurgique.

Le dernier élément du bloc d de la période 4 que nous allons étudier est le zinc, qui est considéré comme un métal pauvre (métal de post-transition) et est le 24^e élément le plus abondant dans la croûte terrestre.

Le zinc est fréquemment utilisé dans les batteries, bien qu’il ne soit pas nécessairement utilisé dans la fabrication des batteries les plus performantes. Les batteries au zinc-carbone ne sont pas chères à produire et durent longtemps dans des appareils qui ne consomment pas beaucoup d’énergie, tels que les télécommandes de télévision.

Le zinc métallique est également utilisé pour la galvanisation et pour la protection sacrificielle d’autres métaux afin d’empêcher la corrosion. Des composés de zinc tels que l’oxyde de zinc () et le sulfure de zinc () sont utilisés dans l’industrie de la peinture.

Un kilogramme de fer peut coûter moins d’un dollar ; alors qu’un kilogramme de scandium peut coûter plus de 3‎ ‎000 $. En raison d’une telle différence, des prix qui fluctuent, et du fait que certains métaux ne se trouvent que dans certains pays, l’influence économique et l’effet des métaux de la période 4 sur les industries sont évidents.

Des avions de chasse aux écrans solaires, du tannage du cuir à l’irradiation des aliments, les métaux du bloc d de la période 4 sont un ensemble fascinant et essentiel de métaux qui font que la vie moderne soit telle que nous la connaissons.

Résumons ce qui nous avons appris dans cette fiche explicative.