Lesson Explainer: Métaux, non-métaux et métalloïdes Chimie • Second Year of Secondary School

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire, comparer et expliquer les propriétés physiques et chimiques des métaux, des non-métaux et des métalloïdes.

Le tableau périodique des éléments possède de nombreuses tendances intéressantes et l’une des plus importantes est la transition des métaux vers les métalloïdes puis vers les non-métaux lorsque nous nous déplaçons du côté gauche au côté droit du tableau périodique. Ce phénomène est fascinant non seulement parce qu’il est vérifiable pour presque toutes les lignes du tableau périodique, mais aussi parce qu’il peut être expliqué à l'aide de théories relativement simples portant sur l’échange des électrons de valence et l’organisation des liaisons intermoléculaires. Le tableau périodique est divisé en sections distinctes contenant les métaux et les non-métaux depuis relativement longtemps. Jöns Jacob Berzelius est un scientifique du 19^ème siècle qui est considéré comme l'un des fondateurs de la chimie moderne. Il a classé les éléments en métaux et en non-métaux il y a plus d'une centaine d'années. Ses classifications étaient basées sur les propriétés physiques des éléments.

La figure suivante utilise les couleurs rouge et bleu pour illustrer comment le tableau périodique passe des éléments métalliques aux éléments non métalliques. Les éléments métalliques sont représentés par la couleur rouge et ils se situent du côté gauche du tableau périodique. Les éléments non métalliques sont représentés par la couleur bleue et ils se situent du côté droit du tableau périodique. Les éléments métalloïdes sont représentés par la couleur jaune et ils se situent entre les côtés gauche et droit du tableau périodique. Les carrés blancs représentent des éléments ayant des propriétés chimiques inconnues.

L’hydrogène est le seul élément qui ne respecte pas le principe simple et facile à comprendre qui stipule que les métaux se retrouvent du côté gauche du tableau périodique et les non-métaux du côté droit. L’hydrogène est un élément assez particulier, car il possède la configuration électronique de valence d’un métal tout en ayant les propriétés chimiques d'un non-métal. Cette exception a donné lieu à des débats intéressants sur la position de l’hydrogène dans le tableau périodique. Certains scientifiques affirment que l’hydrogène devrait se situer au-dessus du carbone D'autres affirment qu’il devrait plutôt se situer au-dessus du fluor. L’hydrogène est présentement situé au-dessus des métaux du groupe 1, mais il pourrait très bien être déplacé au-dessus d’un autre groupe dans le futur.

Les éléments métalliques et non métalliques ont des propriétés chimiques et physiques très différentes, car ils sont constitués d’atomes liés de manière très différente. Les atomes métalliques forment généralement des structures tridimensionnelles géantes qui sont constituées de milliards d’ions chargés positivement baignant dans une mer d’électrons délocalisés. Les atomes non métalliques forment habituellement des molécules beaucoup plus petites liées de manière covalente. Les métaux ne sont pas plus utiles que les non-métaux, et les non-métaux ne sont pas nécessairement plus utiles que les métaux. Les matériaux ont des propriétés physiques et chimiques très différentes, et chacun d’entre eux est approprié pour un ensemble d’applications industrielles et commerciales spécifiques.

Les métaux sont connus pour être durs, et pour avoir des points de fusion et d’ébullition élevés étant donné qu’ils sont constitués de cations métalliques baignant dans une mer d’électrons délocalisés. Il existe des forces d’attraction électrostatique fortes entre les cations métalliques et les électrons délocalisés. Il faut beaucoup de chaleur ou d’énergie mécanique pour les séparer. Les atomes de tungstène sont maintenus ensemble avec certaines des liaisons métalliques les plus fortes parmi tous les éléments métalliques purs. Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les éléments métalliques Son point de fusion est . Le tungstène métallique est utilisé pour fabriquer les filaments présents dans la plupart des ampoules, notamment parce qu’il peut être chauffé à blanc sans fondre. Les atomes de mercure sont maintenus ensemble par des liaisons métalliques extrêmement faibles. Le mercure a le point de fusion le plus bas de tous les éléments métalliques. Son point de fusion est . Le mercure est utilisé pour fabriquer des thermomètres, car son point de fusion bas lui permet d'être liquide à la température ambiante.

La plupart des métaux sont solides, ce qui les rend appropriés pour la construction de véhicules et la fabrication des éléments de support structurel des grands bâtiments et monuments. Les métaux durs sont régulièrement utilisés pour fabriquer des voitures ainsi que des véhicules de transport plus grands comme des cargos et même des avions. Il y a également un nombre incroyablement élevé de grands bâtiments et monuments qui contiennent des armatures en acier ou d’autres types de structures de support en métal.

Les métaux sont réputés pour avoir un nombre relativement faible d’électrons de valence ainsi qu'un rayon atomique relativement grand. Ils ont généralement une couche de valence qui est remplie à moins de la moitié et un rayon atomique qui est plus grand que celui des non-métaux de la même période. Les métaux ont tendance à avoir une affinité électronique et une énergie d'ionisation relativement faibles en raison de leur grand rayon atomique.

L’énergie thermique est transférée dans une substance solide lorsqu’une particule entre en collision avec une autre particule, alors que l’énergie électrique est transférée dans une substance solide lorsque des particules porteuses de charge se déplacent et conduisent un courant électrique. Les métaux ont une conductivité électrique et thermique élevée, car ils contiennent des électrons délocalisés. Les électrons délocalisés peuvent conduire un courant électrique étant donné qu'ils sont très mobiles et qu'ils peuvent facilement se déplacer de la borne négative vers la borne positive d’un circuit électrique. Les électrons délocalisés peuvent conduire l’énergie thermique étant donné qu'ils peuvent facilement se déplacer à travers un réseau métallique et entrer en collision avec d’autres cations métalliques et des électrons. De nombreux métaux sont utilisés pour fabriquer des ustensiles de cuisine ainsi que des radiateurs en raison de leur conductivité thermique très élevée. Certains métaux sont également utilisés pour fabriquer des équipements électriques étant donné qu'ils peuvent conduire un important courant électrique. Le cuivre est utilisé dans le monde entier depuis plus d’un siècle pour fabriquer des câblages électriques étant donné qu'il est un conducteur d’électricité particulièrement efficace et qu'il n’est pas trop onéreux.

Les métaux sont décrits comme étant malléables, car ils peuvent être remodelés sans se briser. Ils sont également décrits comme étant ductiles, car ils peuvent être étirés pour former de longs fils sans se fissurer. En général, les métaux ne se cassent pas et ne se fissurent pas lorsqu’ils sont frappés avec une grande force mécanique, car ils contiennent une mer d’électrons délocalisés très élastique. La position des ions métalliques individuels peut varier lorsqu’un métal est frappé et moulé, mais la mer d’électrons délocalisés n’est pas significativement perturbée ou détruite. Les métaux ont tendance à être très sonores et ils émettent un son clairement audible lorsqu’ils sont frappés avec, par exemple, un marteau ou un maillet. Leur mer d’électrons délocalisés est très flexible et elle peut propager l’énergie cinétique reçue sous forme d’une onde sonore se déplaçant vers l’extérieur.

Les éléments métalliques purs sont généralement décrits comme étant brillants (lustrés). L’aspect brillant d’un métal peut s'expliquer à l'aide de ses électrons délocalisés. On dit que les électrons délocalisés à la surface du métal absorbent et réfléchissent en permanence des photons provenant de l’énergie lumineuse. La mer d’électrons réfléchit continuellement les photons de la lumière, ce qui rend la surface d’un métal brillante. Des métaux très brillants, comme l’or et l’argent, conviennent à la fabrication de bijoux décoratifs étant donné qu'ils sont brillants tout en ayant également tendance à être malléables. L’or et l’argent peuvent être transformés en breloques et en sculptures qui possèdent une forme esthétique et une surface brillante.

Nous savons que les éléments non métalliques ont un nombre relativement élevé d’électrons de valence et un rayon atomique relativement petit. Ils ont généralement une couche de valence remplie à plus de la moitié ainsi qu'un rayon atomique qui est plus petit que celui des métaux sur la même période. Les non-métaux ont généralement une affinité électronique et une énergie d’ionisation élevées en raison de leur petit rayon atomique.

Les éléments non métalliques forment habituellement des composés simples liés de manière covalente. Ces structures ne contiennent que quelques atomes et elles ne génèrent pas de forces d’attraction intermoléculaires fortes. Les interactions intermoléculaires sont relativement faibles entre des molécules adjacentes liées de manière covalente et il ne faut donc pas trop d’énergie pour les séparer. Cela explique pourquoi les éléments non métalliques sont presque toujours fragiles lorsqu’ils forment des solides à la température ambiante, bien que ce ne soit pas une règle absolue. Certains éléments non métalliques peuvent seulement se retrouver à l'état gazeux à la température ambiante. Les éléments non métalliques solides et gazeux ont généralement une densité faible en raison des interactions intermoléculaires faibles qui s'établissent entre les molécules adjacentes non métalliques.

Les éléments non métalliques n'ont pas tendance à conduire l’électricité, car ils ne contiennent généralement pas de particules porteuses de charge. Il existe toutefois au moins deux allotropes non métalliques du carbone qui ont des valeurs de conductivité électrique étonnamment élevées. Le graphite et les nanoparticules de sont des allotropes du carbone qui peuvent conduire un important courant électrique. Ces matériaux contiennent des électrons délocalisés qui peuvent se déplacer de la borne négative vers la borne positive d’un circuit électrique. Le graphite et les nanoparticules de font partie des seuls éléments non métalliques qui peuvent conduire un important courant électrique.

Les matériaux non métalliques ordinaires ont une conductivité thermique faible étant donné qu'ils ne contiennent pas d’électrons délocalisés. Ils sont constitués d’atomes qui sont incapables d’échanger rapidement de l’énergie thermique les uns avec les autres. L’énergie thermique est transférée de manière très inefficace dans un matériau non métallique. Elle peut seulement être transférée lorsque des atomes non métalliques chauds vibrent et entrent en collision avec des atomes non métalliques froids.

Le graphite est considéré comme un matériau non métallique très utile, car il peut être utilisé pour fabriquer des mines de crayons. Il est idéal pour fabriquer des mines de crayons, car il n'est pas malléable tout en étant fragile. Il se brise et laisse un résidu noir lorsqu'il entre en contact avec des substances plus dures comme le papier. Le graphite est connu pour avoir une faible densité et pour être non ductile. Les autres éléments non métalliques ont de nombreuses applications industrielles importantes, y compris l’utilisation de chlore pour purifier l’eau et d’iode comme désinfectant universel. Nous pouvons également mentionner l’utilisation de charbon de bois pour décolorer le sucre ou de phosphore pour fabriquer des allumettes et de l’engrais.

Les éléments métalloïdes se situent entre les éléments métalliques et non métalliques dans le tableau périodique. Cette localisation est idéale, car les éléments métalloïdes présentent à la fois des propriétés des métaux et des non-métaux. Ils ont tendance à avoir un aspect métallique et une valeur d’électronégativité qui se situe entre l'électronégativité élevée des non-métaux et l'électronégativité faible des métaux. Ils ont également tendance à avoir une conductivité thermique qui se situe entre la conductivité thermique élevée des éléments métalliques et la conductivité thermique faible des éléments non métalliques. La figure suivante représente un extrait d’un tableau périodique simplifié. Elle illustre les éléments métalloïdes avec les éléments métalliques et non métalliques adjacents. La figure montre qu’il existe actuellement six éléments métalloïdes reconnus.

De bons exemples de métalloïdes sont des éléments comme le bore et le silicium qui forment des substances plutôt brillantes et friables qui ressemblent un peu aux métaux de transition, sauf qu’ils semblent plus mous et presque souples. Le silicium et le bore ont des propriétés qui sont similaires à certains métaux de transition, car ils sont solides à la température ambiante et ils ont tous les deux des points de fusion et d’ébullition très élevés. Ils ont également des propriétés similaires à celles des éléments non métalliques. Ils sont fragiles et ne nécessitent pas beaucoup d’énergie pour être séparés en petits morceaux.

Les métalloïdes ont une conductivité électrique plus élevée que les non-métaux et plus faible que les éléments métalliques purs. Nous les considérons généralement comme étant des semi-conducteurs intrinsèques, car ils peuvent conduire un important courant électrique à haute température et un courant électrique moins important à basse température. La plupart des éléments métalloïdes peuvent être utilisés pour fabriquer des transistors étant donné qu'ils sont des matériaux semi-conducteurs.

Les métalloïdes sont tellement utilisés dans les appareils électroniques modernes que certains pôles technologiques ont été nommés en leur honneur, comme la Silicon Valley qui peut se traduire comme étant la vallée du silicium. Certaines personnes ont même commencé à nommer la période entre la fin du 19^ème siècle et le début du 21^ème siècle comme étant l’âge du silicium, car celui-ci a été décrit comme étant le matériau dominant de la civilisation moderne. Le silicium est de plus en plus utilisé depuis la fin du 19^ème siècle, et il est maintenant utilisé pour fabriquer des circuits électroniques dans presque tous les ordinateurs modernes. Le germanium peut également être utilisé pour fabriquer des puces électroniques, mais il a tendance à être utilisé beaucoup moins souvent que le silicium. L’antimoine a plusieurs applications technologiques et il s'agit de l’un des matériaux privilégiés pour fabriquer des composants de batterie.

Les éléments métalloïdes ont également plusieurs applications non technologiques importantes. De nombreux composés métalloïdes sont utilisés pour catalyser des réactions chimiques. Le trifluorure de bore est une molécule relativement petite qui a la formule chimique . Il est utilisé pour catalyser les réactions de polymérisation des polyéthers insaturés. Il est également utilisé pour catalyser certaines réactions d’isomérisation et d’acylation. Le trichlorure de bore ( ), un composé étroitement apparenté, est utilisé de façon similaire pour catalyser différents types de réactions de synthèse organique, car il coupe les liaisons carbone-oxygène ( ) dans les molécules d’éther. Certaines substances métalloïdes sont également utilisées pour fabriquer des substances polymères et céramiques.

Des éléments métalloïdes peuvent être mélangés avec des métaux pour fabriquer des alliages qui ont des propriétés physiques ou chimiques intéressantes. Le tellure est régulièrement allié avec de l’acier pour en augmenter l'usinabilité, alors que l’arsenic est mélangé avec du platine ou du cuivre pour les rendre plus résistants aux différentes formes de corrosion.

Le caractère métallique et non métallique de n'importe quel élément chimique peut être défini en utilisant des paramètres d’énergie d’ionisation et d’affinité électronique. Les scientifiques peuvent utiliser ces paramètres ou d’autres paramètres étroitement liés pour démontrer que les éléments tendent à devenir moins métalliques lorsque nous nous déplaçons sur n'importe quelle ligne du tableau périodique. Les éléments les plus à gauche ont tendance à être significativement plus métalliques que les éléments situés à leur droite. Les éléments du groupe 1 sont considérés comme ayant le caractère métallique le plus fort, alors que les éléments du groupe 17 sont considérés comme ayant le caractère métallique le plus faible.

Des paramètres d’énergie d’ionisation et d’affinité électronique peuvent être utilisés de manière similaire afin de démontrer que les éléments ont tendance à avoir un caractère métallique fort lorsqu’ils sont situés vers le bas du tableau périodique et un caractère métallique faible lorsqu’ils sont situés vers le haut du tableau périodique. Cette affirmation pourrait être reformulée pour indiquer que le caractère métallique a tendance à augmenter lorsque nous nous déplaçons vers le bas dans un groupe du tableau périodique. Les éléments en bas d’un groupe ont tendance à avoir les plus grands rayons atomiques et les plus faibles énergies d’ionisation. Le caractère métallique augmente en se déplaçant vers le bas dans un groupe même si ce groupe débute par un élément métallique. Il augmente en se déplaçant vers le bas du groupe des métaux alcalins et il augmente aussi en se déplaçant vers le bas du groupe des métaux alcalino-terreux. Le caractère non métallique diminue en se déplaçant vers le bas d’un groupe même si ce groupe débute par un élément non métallique. L’iode peut être considéré comme ayant un caractère non métallique plus faible que le fluor, car il a une affinité électronique et une première énergie d'ionisation plus faibles.

Le césium est généralement considéré comme l’élément ayant le caractère métallique le plus fort, car il s’agit d’un élément du groupe 1 situé en bas du tableau périodique. Le fluor est généralement considéré comme l’élément ayant le caractère non métallique le plus fort, car il s'agit de l'élément du groupe 17 qui se situe en haut du tableau périodique.

Le tableau suivant compare les métalloïdes avec les éléments métalliques et non métalliques. Il récapitule plusieurs éléments qui ont été discutés dans cette fiche explicative et il résume beaucoup de texte en un nombre relativement faible de points importants. Ce tableau peut être utilisé pour prouver le point essentiel de cette fiche explicative. Il peut être utilisé pour prouver que certains éléments ne peuvent être classés ni comme des métaux ni comme des non-métaux. Ces éléments doivent donc être classés dans la catégorie des métalloïdes, car ils possèdent à la fois certaines propriétés des substances métalliques et non métalliques.