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Vidéo de la leçon : Liaison métallique Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à décrire la liaison métallique et son effet sur les propriétés physiques et chimiques des métaux.

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Transcription de vidéo

Liaison métallique

Les bâtiments dans lesquels nous vivons, les véhicules dans lesquels nous nous déplaçons et l’appareil sur lequel nous regardons cette vidéo ont tous exploité les caractéristiques des métaux d'une manière ou d'une autre. Mais pourquoi les métaux se comportent-ils comme ils le font ? C'est en raison de la disposition de leurs atomes et des électrons dans ces atomes, car leurs électrons de valence flottent librement dans une mer d’électrons. Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la liaison métallique et son effet sur les propriétés physiques et chimiques des métaux.

Quels sont les éléments métalliques ? Examinons de plus près le tableau périodique. Nous pouvons diviser ce tableau en trois sections : les métaux, les non-métaux et les métalloïdes. Les métaux représentent les éléments qui tendent à former des ions chargés positivement. Nous les retrouvons dans la partie gauche du tableau périodique. Les non-métaux, qui forment généralement des ions chargés négativement, se trouvent dans la partie droite du tableau périodique, tandis que les métalloïdes se situent entre les deux autres groupes. Dans leur forme élémentaire, les métaux sont brillants. Ils conduisent la chaleur et l’électricité. Ils sont malléables, ce qui signifie qu’ils peuvent prendre une forme spécifique, et ils sont ductiles, ce qui signifie qu’ils peuvent être étirés en un fil. Les non-métaux ont tendance à avoir des propriétés contraires. Ils sont ternes, mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité, friables et non ductiles.

Les métalloïdes ont des propriétés métalliques et des propriétés non métalliques. Les métaux comprennent certains éléments familiers, tels que le cuivre et le fer, mais ils comprennent également des substances que nous ne pouvons pas considérer comme des métaux ordinaires, telles que le sodium et le calcium. Vous vous demandez peut-être : Le sodium est un métal ! Mais le sel de table, le chlorure de sodium, contient du sodium, et il s'agit d'un cristal blanc, pas d'un métal brillant. » Pour répondre à cette question, nous devons examiner les différents types de substances et de composés qui peuvent être formés par des liaisons entre des éléments métalliques et non métalliques.

Avant d'aborder la liaison métallique, rappelons quelques types de liaisons courantes et comparons-les avec la liaison métallique. Les liaisons ioniques se forment entre les éléments métalliques et non métalliques. Une liaison ionique se produit généralement lorsqu’un atome métallique donne un ou plusieurs électrons et qu’un atome non métallique gagne un ou plusieurs électrons. Il en résulte alors deux ions de charge opposée avec une forte attraction électrostatique. Alors que les composés ioniques, comme le chlorure de sodium, peuvent inclure des éléments métalliques, ils ne sont pas eux-mêmes des substances métalliques. Les liaisons covalentes se forment entre les atomes des éléments non métalliques. Dans les liaisons covalentes, les électrons sont partagés entre les atomes plutôt que d'être complètement attribués à l'un ou l'autre des deux atomes. L’eau et le dioxyde de carbone sont des exemples simples de substances contenant des liaisons covalentes.

Nos substances d’intérêt, les métaux, sont constituées d’atomes d’un ou de plusieurs éléments métalliques. Les exemples de substances contenant un seul élément comprennent les formes élémentaires du fer, de l'or et du sodium. Les métaux qui combinent différents types d’atomes métalliques comprennent le laiton, qui contient du cuivre et du zinc, et le bronze, qui contient du cuivre et de l'étain. Les substances métalliques constituées de deux éléments métalliques ou plus s'appellent des alliages.

Les électrons des substances métalliques se déplacent librement dans ce que nous appelons une mer d’électrons délocalisés. Au lieu d'être liés à un atome spécifique ou partagés entre deux atomes, les électrons de valence de chacun des atomes se déplacent librement dans l’espace qui les entoure. Examinons maintenant plus en détail la disposition des électrons. Les particules dans les liaisons métalliques sont disposées comme ceci. Les ions positifs forment une structure cristalline, tandis que les électrons circulent librement dans l’espace restant. Alors que les électrons de valence se déplacent librement, les ions positifs, les autres parties des atomes métalliques, s’organisent sous forme de couches répétées. Les couches de différents métaux présenteront des arrangements géométriques différents, comme les motifs carrés du gallium ou les motifs hexagonaux du sodium que nous voyons ici.

L’arrangement spécifique n’est pas toujours important, Mais nous devons savoir que les ions métalliques positifs constitués de noyaux chargés positivement et leurs couches électroniques internes s’organisent sous forme de structures répétées et prévisibles. À l’intérieur de ces structures, les électrons de valence, ou les électrons des couches électroniques les plus externes, se déplacent librement. Nous décrivons généralement cet arrangement comme étant une mer d’électrons délocalisés. Ce qui signifie que les électrons n’ont pas tendance à appartenir à un atome en particulier, mais sont plutôt partagés à travers la structure.

Dans les liaisons ioniques, les électrons sont capturés par les ions négatifs. Dans les liaisons covalentes, chaque électron est partagé entre deux atomes particuliers et non pas par toute la structure comme dans le cas d'une liaison métallique. Ces électrons se déplaçant librement ont des effets intéressants sur le métal dans son ensemble. Rappelez-vous que, dans les liaisons ioniques, les électrons sont capturés par des ions en particulier, tandis que, dans les liaisons covalentes, les électrons sont maintenus en place entre des paires d’atomes spécifiques. Ainsi, la mer d'électrons délocalisés dans les métaux donne à la structure cristalline une flexibilité et beaucoup de liberté de mouvement aux particules qui la composent. Fait intéressant, la liberté de mouvement des particules à l’échelle microscopique se traduit par des propriétés physiques à l’échelle macroscopique. Examinons maintenant comment la disposition des particules dans une liaison métallique conduit à certaines des propriétés physiques des substances métalliques.

Premièrement, les métaux sont malléables. On peut facilement leur donner une forme particulière, comme dans le cas de la feuille pliable de papier d’aluminium, plutôt que de les briser suite à un coup, comme dans le cas d'un composé ionique friable, tel qu’un cristal de sel aggloméré. Lorsqu’une force est appliquée à un métal, la forme de la structure cristalline peut changer, tandis que les particules sont toujours maintenues ensemble en raison de l'attraction électrostatique entre les ions positifs et les électrons négatifs. Grâce à la mer d’électrons délocalisés, les ions positifs ont plus de liberté de mouvement dans un métal que dans un composé ionique friable. Pour ces mêmes raisons, les métaux sont également ductiles, ce qui signifie qu’ils peuvent être étirés en un fil. Lorsqu’une force de traction est appliquée, la structure cristalline peut se réorganiser latéralement pour prendre la forme d’un fil. Cela est dû à la liberté de mouvement fournie par la mer d’électrons délocalisés.

Les métaux conduisent également l’électricité. L’électricité représente le flux de particules chargées. Ainsi, lorsqu’un métal est connecté à un circuit, les électrons libres sont attirés vers la borne positive. Le flux d’électrons à travers le métal, facilité par leur disposition libre, représente donc ce que nous appelons l’électricité. Lorsqu'il n’y a pas de particules chargées libres, comme dans le cas du chlorure de sodium solide, l’électricité ne passe pas à travers la substance. Toutefois, nous pouvons générer des particules chargées libres sous forme d’ions en dissolvant un sel pour créer de l’eau salée, qui conduira efficacement l’électricité.

Les métaux conduisent également la chaleur. Cette dernière représente le transfert de l’énergie générée par le mouvement et la vibration des atomes. Lorsqu’une substance est chauffée, ses particules commencent à vibrer. Dans le cas des métaux, leurs ions positifs sont davantage libres de se déplacer, transférant ainsi plus facilement de l’énergie aux particules voisines et transférant éventuellement de l’énergie à de plus en plus de particules dans la substance. Pensez à une casserole ou à une bouilloire sur la cuisinière comme un exemple simple de métal qui conduit rapidement beaucoup de chaleur.

Les métaux ont également des points de fusion élevés. La totalité de la substance est maintenue ensemble par l’attraction électrostatique entre les ions positifs et les électrons de valence négatifs. Chaque ion est attiré par plusieurs électrons présents dans le milieu environnant et chaque électron est attiré par plusieurs ions dans le milieu environnant. Il faut ainsi beaucoup d’énergie pour séparer un ion positif et ses électrons de valence de ses nombreuses particules voisines de charge opposée qui les attirent. Plus il faut d’énergie pour séparer les particules, plus le point de fusion est élevé. Nous pouvons également voir comment les différentes caractéristiques des différents atomes métalliques affectent les attractions de cette structure cristalline maintenue ensemble, ce qui augmente ou diminue le point d’ébullition.

L'une des caractéristiques qui peut affecter le point de fusion d’un métal est le nombre d’électrons de valence que chaque atome apporte à la mer d’électrons délocalisés. Par exemple, les atomes de sodium apportent un électron pour devenir des ions Na+, tandis que les atomes de magnésium apportent deux électrons pour devenir des ions Mg2+. Alors, comment cette différence dans le nombre d’électrons de valence affecte-t-elle le point de fusion ? En fait, plus il y a d’électrons de valence, plus il y a de particules pouvant attirer des ions positifs. Cela conduit à l’augmentation de la force de la liaison métallique permettant d’avoir un point de fusion plus élevé.

Il y a une autre tendance que nous pouvons examiner en nous déplaçant de haut en bas dans un groupe du tableau périodique. Si nous comparons le sodium à l’élément qui est directement en dessous dans le tableau périodique, soit le potassium, nous pouvons nous poser la question suivante : « Comment la présence d’autres couches électroniques peut-elle affecter le point de fusion d'un métal ? » Il convient toutefois de noter qu’il existe de nombreuses exceptions à cette tendance. Mais que les atomes ayant davantage de couches électroniques ont une plus grande séparation entre leur noyau et leurs électrons de valence. En général, cela signifie que les atomes situés plus bas dans un groupe du tableau périodique ont des liaisons métalliques plus faibles et des points de fusion plus bas. Toutefois, il existe également de nombreuses exceptions à cette règle. Ne soyez donc pas surpris si vous rencontrez un élément plus bas dans le tableau périodique avec un point de fusion plus élevé. Comme vous pouvez le constater, les propriétés microscopiques et macroscopiques des métaux sont étroitement liées à la structure que nous appelons la liaison métallique.

Maintenant que nous avons étudié la liaison métallique et les propriétés physiques des métaux, attardons-nous sur quelques problèmes pratiques.

Lequel des diagrammes suivants représente le mieux la liaison métallique ?

Le diagramme qui représente correctement la liaison métallique sera celui qui décrit une structure cristalline d’ions positifs avec une mer d’électrons délocalisés. La réponse (B) est donc la bonne, car elle représente les ions positifs rouges sous forme de structure cristalline ainsi que la mer d'électrons délocalisés, représentés par des points noirs flottant dans les espaces.

La réponse (C) décrit également une structure cristalline d’ions positifs, mais il y a des ions négatifs mélangés avec eux. La réponse (C) représente donc une liaison ionique. La réponse (A) représente la liaison hydrogène qui se forme entre les atomes d’hydrogène et les atomes d’oxygène dans les molécules d’eau. La figure de la réponse (D) illustre le solide covalent. Dans ce cas spécifique, la figure décrit la disposition répétée des atomes de carbone pour former un diamant. Ainsi, la figure qui représente le mieux la liaison métallique est la réponse (B).

Lequel des métaux suivants a la liaison métallique la plus forte ? (A) le sodium, (B) le lithium, (C) le béryllium, (D) le magnésium ou (E) l'aluminium.

Cette question nous demande de déterminer la liaison métallique la plus forte. La liaison la plus forte est celle qui présente les attractions les plus fortes entre les différentes particules. Deux caractéristiques principales peuvent influencer la force des attractions dans un métal. Premièrement, plus il y a d’électrons de valence dans un métal, plus la liaison est forte. Les électrons supplémentaires s'ajouteront aux forces d’attraction globales agissant sur les ions positifs. L’autre caractéristique qui pourrait avoir une influence est que, généralement, le fait d'avoir davantage de couches électroniques signifie une liaison plus faible, bien qu’il existe de nombreuses exceptions à cette tendance.

La séparation entre le noyau et les électrons de valence générée par les couches électroniques supplémentaires affaiblit les forces d’attraction entre les particules chargées positivement et les particules chargées négativement. Cependant, cette deuxième relation n’est pas aussi fiable que celle qui existe entre les électrons de valence et la force de liaison. Alors, examinons d’abord cette relation en déterminant le nombre d’électrons de valence pour chacun de ces métaux. Comment détermine-t-on le nombre d’électrons de valence ? En fait, nous pouvons jeter un coup d’œil au tableau périodique.

En tant que membres du groupe 1, le sodium et le lithium ont un électron dans leur couche électronique la plus externe ou encore un électron de valence. Dans la colonne suivante à droite, nous retrouvons le béryllium et le magnésium dans le groupe 2 avec deux électrons de valence. L’aluminium, le troisième élément de sa rangée du groupe 13, a trois électrons de valence. Puisqu’il s'agit de celui qui a le plus d’électrons de valence, l’aluminium, soit la réponse (E), est la bonne réponse. Dans le cas de l’aluminium, chaque ion positif a plus d’électrons négatifs autour de lui, ce qui génère davantage d’attraction et une liaison plus forte.

Pour résoudre ce problème, nous n’avons finalement pas utilisé la deuxième relation entre le nombre de couches électroniques et la force de la liaison. Si plusieurs métaux avaient été à égalité pour le plus grand nombre d’électrons de valence parmi les réponses, nous aurions pu utiliser cette deuxième relation pour briser l’égalité. Cependant, comme il existe de nombreuses exceptions à cette tendance, il serait utile de confirmer toute hypothèse sur la force de la liaison ou sur les points de fusion émise à partir de cette relation en les vérifiant. Parmi les choix donnés, le métal avec la liaison métallique la plus forte est l’aluminium, donc la réponse (E).

Maintenant que nous nous sommes pratiqués un peu, passons en revue les points clés à retenir pour la liaison métallique. Les éléments métalliques sont ceux qui ont tendance à former des ions positifs. Ils se retrouvent du côté gauche du tableau périodique. Des substances sont considérées comme étant métalliques si elles ne contiennent que des atomes d’éléments métalliques. Si une substance est composée de deux éléments métalliques ou plus, nous appelons cette substance un alliage. La structure de la liaison métallique implique une disposition spécifique de ses constituants. Les ions positifs forment une structure cristalline, tandis que les électrons se déplacent librement dans une mer d’électrons délocalisés. Cette structure donne lieu aux nombreuses propriétés physiques des métaux, telles que leur malléabilité, leur ductilité, leur conductivité électrique, leur conductivité thermique et leurs points de fusion élevés.

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