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Vidéo de la leçon : Utilisations des métaux de la période 4 Chimie

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

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir les utilisations et les applications des métaux de la période 4, en particulier des métaux du bloc d de la période 4. Nous étudierons leurs utilisations communes ainsi que les composés de ces éléments importants au plan industriel. Tout d’abord, rappelons-nous de quels métaux nous parlons.

Dans le tableau périodique, les métaux de la période 4 sont le potassium, le calcium, le scandium, le titane, le vanadium, le chrome, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le zinc et le gallium. Concentrons-nous sur les métaux du bloc d de la période 4. Ces métaux sont collectivement appelés la première série de transition, bien que le zinc ne soit pas techniquement un métal de transition. Un métal de transition est un élément dont les atomes ont une sous-couche d incomplète ou qui peut former des cations avec une sous-couche d incomplète.

Pourquoi étudions-nous ces métaux ? Pourquoi sont-ils si importants ? Saviez-vous que la plupart de ces métaux sont utilisés par le corps humain ? Mais pourquoi sont-ils si importants pour l’industrie ? En fait, ils génèrent tous beaucoup d’argent. Ces métaux sont si utiles dans des applications spécifiques qu’ils génèrent beaucoup d’argent. Par exemple, ceux utilisés comme catalyseurs accélèrent considérablement la vitesse à laquelle des substances chimiques peuvent être produites. De cette façon, un manufacturier fabriquera plus de produits en moins de temps. En retour, le profit sera également obtenu plus rapidement. Les éléments utilisés comme catalyseurs, seuls ou avec d’autres éléments, comprennent le scandium, le titane, le vanadium, le chrome, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre et le zinc, donc tous ces éléments. En plus de réduire le temps de synthèse, ces métaux catalysent des réactions qui produisent les matériaux de base de nombreux processus importants au plan industriel. Beaucoup d’argent est donc généré, car de nombreuses réactions dépendent initialement de ces catalyseurs métalliques.

Tous ces métaux sont également utilisés dans des alliages. Les alliages ont de nombreuses utilisations dans la société et sont essentiels à l’économie. Certains de ces métaux sont utiles pour les batteries. Actuellement, la tendance mondiale est de trouver des sources d’énergie alternatives et des systèmes de stockage de cette énergie. Nous ne voulons plus compter sur les combustibles fossiles pour produire notre énergie. Les batteries sont une grande partie de la solution. Le manganèse, le cobalt, le nickel, le cuivre et le zinc sont tous des composants des batteries modernes. Le fer, le cobalt et le nickel sont également utilisés dans les aimants. Nous verrons à quel point les aimants sont importants dans de très nombreux appareils. Beaucoup de ces métaux ont des applications industrielles importantes dans des composés et à l'état pur. Examinons quelques exemples spécifiques dans lesquels ces métaux sont utilisés dans des catalyseurs, des alliages, des batteries, des aimants, des composés et en tant que métal à l'état pur.

Le vanadium est utilisé dans le catalyseur V2O5 pour le procédé de contact qui produit l’acide sulfurique. Le fer est utilisé à l'état pur dans le procédé Haber-Bosch, qui produit l’ammoniac gazeux. Le fer est également utilisé dans le procédé Fischer-Tropsch. Au cours de ce procédé, des hydrocarbures liquides sont produits à partir du monoxyde de carbone et de l’hydrogène. Le nickel, quant à lui, est largement utilisé dans les réactions d’hydrogénation, par exemple dans la conversion du benzène en cyclohexane. Examinons maintenant l’utilisation de ces éléments dans les alliages.

La grande majorité des alliages utilisés sont à base de fer, c’est-à-dire des alliages d’acier. Non seulement les alliages de fer ont des propriétés utiles, telles que la dureté, mais le fer est également abondant dans la croûte terrestre. En fait, il s'agit du métal le plus abondant de la première série de transition. Il s'agit donc d'un métal très important. Les aciers seront étudiés plus en détail dans une autre vidéo. Le scandium et l’aluminium forme un alliage léger, mais très dur. Certains composants des avions de chasse MiG sont fabriqués à partir d’alliages d’aluminium et de scandium. Les alliages de titane sont également utilisés dans les avions ainsi que dans les composants aérospatiaux. Ils ont une faible densité, mais sont très résistants. Le vanadium et le chrome, tout comme le scandium, rendent les alliages plus durs. Ils sont utilisés dans les aciers à haute résistance, par exemple dans les outils de coupe et dans les essieux.

Le cuivre et le zinc sont alliés ensemble dans le laiton. Le laiton est largement utilisé dans les composants de la plomberie, par exemple dans les tuyaux et les joints. Le bronze est un alliage de cuivre avec d’autres métaux comme l’étain, l’aluminium, le manganèse, le nickel et le zinc. Les statues et les médailles sont souvent en bronze. Nous pouvons constater que ces métaux de la période 4 sont très utiles lorsqu’ils sont alliés à d’autres métaux. Ils sont peut-être même plus utiles lorsqu’ils sont alliés. Toutefois, certains d’entre eux sont utilisés à l'état pur, comme par exemple le cuivre. La grande majorité des fils électriques sont en cuivre. Le zinc est utilisé pour galvaniser des métaux plus réactifs, par exemple le fer ou l’acier. Une fine couche de zinc est appliquée sur l’acier. Cela protège contre l’exposition à l’oxygène et à la vapeur d’eau présents dans l’air, et donc contre la corrosion. De nombreuses structures en acier peuvent être galvanisées, par exemple les échelles, les clôtures en palissade d'acier et les balustrades.

Le chrome à l'état pur est également utile. Une fine couche de chrome, ou d’un alliage de chrome, est galvanisée sur un composant métallique pour augmenter sa résistance à la corrosion, sa dureté, ainsi que pour le rendre vraiment brillant. Les pièces de motocyclette, ainsi que certaines jantes ou mags de fantaisie, sont parfois chromés.

Passons maintenant à l’utilisation de ces métaux dans les batteries. Les batteries, ou les piles sèches, contiennent souvent du dioxyde de zinc et de manganèse. Vous avez peut-être déjà entendu parler des piles alcalines. Il s'agit des batteries conventionnelles. Les piles rechargeables utilisent toutefois du nickel et du cadmium.

Maintenant, qu’en est-il des aimants ? Étonnamment, les aimants sont largement utilisés et pas seulement pour afficher des photos sur le réfrigérateur ! Les métaux de la période 4 sont utilisés dans les aimants présents dans de nombreux appareils, par exemple dans les moteurs électriques, les transformateurs, les générateurs, les chantiers de récupération de ferraille, les fours à micro-ondes, les dispositifs d’affichage des téléviseurs, les radios et plus encore. De nombreux aimants utilisent du fer en association avec une bobine. Un électroaimant est produit lorsque l’électricité passe à travers la bobine. Le fer joue un rôle majeur dans ce processus. Vous pouvez essayer de produire votre propre électroaimant à la maison. Vous aurez besoin d’un clou en fer, d’un fil de cuivre et d’une batterie, qui pourrait être constituée de zinc et de dioxyde de magnésium. Avez-vous remarqué que la plupart des composants de ce système proviennent de la première série de transition ?

En plus des électroaimants, nous connaissons probablement tous le fer sous forme d'aimant permanent, alors que le cobalt forme également un aimant permanent avec le samarium dans les aimants samarium-cobalt. Il s'agit d'aimants permanents puissants utilisés dans des applications à haute température, comme par exemple dans les composants aérospatiaux, les générateurs, les capteurs et certains dispositifs médicaux.

Jusqu’à présent, nous avons étudié des cas dans lesquels les métaux de la période 4 étaient utilisés comme catalyseurs, dans des alliages, dans des batteries, à l'état pur et dans des aimants. La dernière catégorie que nous allons étudier est leur utilisation dans divers composés. Il existe de nombreux composés importants contenant des métaux de la période 4. Par exemple, le titane, sous forme de dioxyde de titane, est utilisé dans les crèmes solaires. Les nanoparticules de dioxyde de titane absorbent certaines longueurs d’onde de la lumière ultraviolette. Le manganèse se retrouve dans l’ion permanganate. Cet ion violet est un agent oxydant puissant qui est utilisé dans de nombreuses applications, par exemple dans le traitement de l’eau pour la désinfection.

Le chrome, dans l’ion dichromate de couleur orange, est également utilisé comme agent oxydant, bien qu’il ne soit pas aussi puissant que le permanganate. Les ions dichromate et chromate sont utilisés dans les pigments en raison de leur couleur intense. Le cobalt, en particulier l’isotope cobalt 60, est utilisé dans le traitement contre le cancer. En cobaltothérapie, les rayons gamma de cet isotope radioactif sont dirigés vers les tumeurs afin de les détruire.

Examinons maintenant quelques exemples supplémentaires. Voici une autre utilisation du chrome. Le chrome sous forme d’alun de chrome et de sulfate de chrome est utilisé pour tanner le cuir. Le chrome réticule les fibres de la protéine de collagène dans la peau des animaux. Ainsi, les protéines présentes dans les peaux sont stabilisées et les peaux deviennent plus dures et plus coriaces. Finalement, le cuivre sous forme de sulfate de cuivre a des utilisations intéressantes. Il agit comme herbicide, bactéricide et fongicide pour contrôler la prolifération des algues, des bactéries, des champignons et même la croissance des racines chez les plantes.

Maintenant que nous connaissons mieux certaines des nombreuses utilisations des métaux du bloc d de la période 4, mettons ces connaissances en pratique.

Laquelle des applications suivantes est associée au scandium ? (A) la fabrication d'articulations artificielles, (B) le tannage du cuir, (C) la fabrication des avions de chasse MiG, (D) la galvanoplastie ou (E) la fabrication de suspensions pour voitures.

La question implique l’élément scandium ou Sc. Le scandium se retrouve ici dans le tableau périodique. Il s’agit plus précisément du premier élément du bloc d de la période 4. En d’autres termes, il s'agit du premier élément de la première série de transition. Les métaux de la première série de transition illustrés ici sont des métaux très utiles. Ils ont une grande importance économique et sociale. Maintenant, la question porte sur l’une des applications du scandium. Lorsqu'une petite quantité de scandium est ajoutée à l’aluminium, l’alliage obtenu, qui est léger à cause de l’aluminium, devient plus dur. Cette combinaison unique de légèreté et de dureté est parfaite pour l'utilisation dans la fabrication des avions.

Parmi les choix de réponse proposés, l’application du scandium est dans la fabrication des avions de chasse MiG ou plutôt de certains de leurs composants. Les articulations artificielles sont généralement fabriquées à partir d'un mélange de divers matériaux, soit la céramique, le plastique et le métal. Le titane constitue le métal de choix dans les articulations artificielles, car il est léger et solide tout en n'ayant aucun effet toxique sur les tissus humains.

Contrairement à certains autres métaux, le tannage du cuir est obtenu grâce à l’utilisation de divers composés de chrome. Les protéines de collagène sont réticulées par le chrome, ce qui stabilise le cuir tout en lui conférant une durabilité et une longue durée de vie.

De nombreux métaux peuvent être utilisés pour la galvanoplastie, mais le chrome est le métal de la période 4 le plus fréquent pour cette application. Une fine couche de chrome est galvanisée sur d’autres pièces métalliques pour créer une surface dure, résistante à la corrosion et très brillante. Nous appelons cela être chromé. Vous avez peut-être déjà vu des composants de motocyclettes en métal chromé.

Les suspensions de voiture sont généralement fabriquées en acier. L’acier est en grande partie composé de fer et de carbone. La combinaison du fer et du carbone dans l’acier fournit un alliage très solide. Comme il est très lourd, l’acier ne serait pas approprié pour fabriquer des composants des avions de chasse MiG.

Parmi les choix de réponse, l’application du scandium est dans la fabrication des avions de chasse MiG ou de leurs composants.

Résumons maintenant ce que nous avons appris au sujet des métaux de la période 4. Nous avons découvert certaines utilisations des métaux du bloc d de la période 4, à savoir le scandium, le titane, le vanadium, le chrome, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre et le zinc. Nous avons appris que ces métaux sont très importants, voire essentiels pour la société et l’économie, car ils ont de nombreuses applications dans la vie quotidienne et dans l’industrie, ce qui génèrent beaucoup d’argent. Leurs applications comprennent une utilisation en tant que catalyseurs, comme par exemple le pentoxyde de vanadium dans le procédé de contact, une utilisation dans de très nombreux alliages, par exemple le cuivre et le zinc dans le laiton, une utilisation en tant que métal à l'état pur, par exemple le cuivre dans les fils, une utilisation dans les batteries, par exemple le nickel dans les batteries rechargeables au nickel-cadmium, une utilisation dans les aimants, par exemple le cobalt dans les aimants samarium-cobalt et le fer dans les électroaimants, et finalement une utilisation dans une variété de composés importants, par exemple le manganèse dans l’ion permanganate qui est utilisé dans le traitement de l’eau pour la désinfection.

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