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Vidéo de la leçon : Métaux, non-métaux et métalloïdes Chimie

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

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons voir ce que nous entendons par métal, non-métal et métalloïde, et explorer les propriétés de chacun d’entre eux.

Regardons d’abord le tableau périodique et essayons de trouver les métaux, les non-métaux et les métalloïdes. Nous n’avons ici qu’un aperçu de notre tableau périodique. En règle générale, les métaux se trouvent à gauche du tableau périodique ; et les non-métaux, à droite. Cependant, l’hydrogène est une exception. Même s’il se trouve à gauche, nous considérons l’hydrogène comme un non-métal. La question est de savoir où se situe la frontière entre ces deux sections.

Sur le tableau périodique, cette frontière entre les métaux et les non-métaux est souvent représentée par une ligne en zigzag. Elle descend entre le bore et l’aluminium, le silicium, le germanium, l’arsenic, l’antimoine et le tellure. Cependant, il n’est pas toujours facile de classer les éléments situés de chaque côté de cette ligne. Et ceci est particulièrement vrai à mesure que nous descendons dans le tableau périodique. Des éléments comme le bore, le silicium, le germanium, l’arsenic, l’antimoine et le tellure peuvent présenter à la fois des caractéristiques des métaux et des non-métaux. Ils peuvent être classés comme métalloïdes. On les appelle aussi parfois semi-métaux. Vous pouvez imaginer les métalloïdes comme étant à mi-chemin entre un métal et un non-métal. Maintenant que nous savons où trouver les métaux, les non-métaux et les métalloïdes, examinons les propriétés de chacun d’entre eux.

Pour comprendre les propriétés des métaux, nous devons nous rappeler de la liaison métallique. Les atomes d’un métal sont agencés selon une forme régulière de réseau cristallin. Au milieu de cela, nous trouvons une mer d’électrons de valence délocalisés. Ces électrons délocalisés sont libres de circuler dans tout le réseau. Cette structure spécifique peut expliquer certaines propriétés des métaux.

La propriété principale des métaux est qu’ils sont durs. Les métaux sont durs à cause de la forte liaison métallique : l’attraction électrostatique entre les noyaux positifs et la mer d’électrons délocalisés négative est très forte. Il est difficile de briser cette structure, et c’est ce qui rend les métaux durs.

Les métaux ont également une densité élevée. Avoir une densité élevée signifie qu’une substance a une masse élevée par rapport à sa taille ou à son volume. Les métaux ont une densité élevée parce qu’ils ont un grand nombre d’atomes serrés les uns contres les autres dans un petit espace. On peut polir les métaux pour les rendre brillants. Lorsque nous polissons un métal, nous rendons sa surface incroyablement lisse. Cette brillance est due à l’interaction de la lumière avec la mer d’électrons délocalisés. Le terme éclat est parfois employé pour dénommer cette brillance métallique.

Les métaux sont aussi ductiles. Une substance est ductile si on peut l’étirer pour former des fils. C’est encore une fois la structure qui explique pourquoi les métaux sont ductiles. Quand nous appliquons une force à un métal pour l’étirer en fils par exemple, les couches d’atomes glissent les unes sur les autres, ce qui permet d’en faire des fils. Ce mouvement des couches explique aussi pourquoi les métaux sont malléables. Malléable signifie que quelque chose peut être façonné par martelage. Et c’est le cas des métaux.

Les métaux peuvent aussi produire des sons. Ils émettent un son lorsqu’ils sont frappés. Pensez quand on frappe une cloche en métal, par exemple. Et peut-être l’une des propriétés les plus importantes des métaux est qu’ils sont conducteurs d’électricité. Cela signifie qu’ils laissent passer un courant électrique. Cela est rendu possible par la mer d’électrons délocalisés. Quand on applique une tension à un métal, cette mer d’électrons peut circuler à travers le matériau. Cela signifie qu’il peut transporter le courant à travers un fil par exemple.

Comme toujours, il y a des exceptions à ces propriétés. Prenez le mercure par exemple. Le mercure a un point de fusion particulièrement bas, ce qui fait de lui un liquide à température ambiante. Ceci est, bien sûr, incroyablement inhabituel pour un métal.

Maintenant que nous avons résumé les propriétés des métaux, comparons-les à des non-métaux. Les propriétés des non-métaux sont très différentes de celles des métaux. Nous avons vu par exemple que les métaux sont durs. En revanche, la majorité des non-métaux sont mous. Tout comme pour les métaux, c’est en regardant leur structure que nous pouvons comprendre les propriétés des non-métaux. Mais c’est un peu plus compliqué pour les non-métaux.

Dans la catégorie des non-métaux, il existe une vaste gamme de structures différentes. Les structures non métalliques tendent à impliquer des liaisons covalentes contrairement aux métaux qui ont des liaisons métalliques. Certains non-métaux sont également constitués de molécules individuelles. Pensez par exemple à l’oxygène gazeux. De plus, dans les non-métaux, les électrons sont en général localisés, contrairement aux métaux, où ils sont délocalisés. En fait, les non-métaux peuvent se présenter sous différents états. Par exemple, les gaz nobles sont tous gazeux, le brome est un liquide et le soufre, un solide. Il y a donc toute une gamme de structures différentes.

De même, si on compare leur densité, on voit que celle des métaux est très élevée car ils contiennent beaucoup d’atomes dans un petit espace. Contrairement aux non-métaux qui ont une densité beaucoup plus faible. Nous avons vu que les métaux pouvaient être ductiles et malléables, mais les non-métaux, eux, sont souvent fragiles en raison de leur structure. Fragile signifie que si vous essayez de déformer un non-métal, il se brisera.

Alors que les métaux sont conducteurs d’électricité, c’est l’inverse pour les non-métaux ; ce sont des isolants électriques. Cela signifie que l’électricité ne peut pas les traverser. C’est parce que leurs électrons sont localisés plutôt que délocalisés. Mais encore une fois il y a des exceptions, comme par exemple le carbone sous forme de graphite. La structure du graphite est semblable à celle des métaux, et est constituée de couches. Chaque couche est composée d’atomes de carbone liés de manière covalente à trois autres atomes de carbone. Cependant entre ces couches, circulent des électrons libres. Et ce sont ces électrons qui permettent aussi au carbone, sous forme de graphite, de conduire de l’électricité.

Jusqu’à présent, nous avons vu que les métaux et les non-métaux s’opposaient en terme propriétés. Mais qu’en est-il des métalloïdes ? Rappelez-vous que sur le tableau périodique, les métaux se situent plutôt à gauche, les non-métaux à droite, et les métalloïdes de chaque côté de la ligne où se rencontrent les métaux et les non-métaux.

Les métalloïdes présentent à la fois des propriétés des métaux et des non-métaux. Alors si les métaux conduisent l’électricité et que les non-métaux isolent, que font les métalloïdes ? La réponse serait « un peu les deux ». Nous appelons semi-conducteurs, les métalloïdes qui présentent cette propriété d’un peu des deux. Le silicium, par exemple, est un semi-conducteur utilisé couramment. Nous pouvons rendre les semi-conducteurs meilleurs conducteurs d’électricité en les chauffant. Contrairement à un métal qui perdra une partie de sa conductivité électrique si vous le chauffez. On utilise aussi les métalloïdes dans les cellules solaires, comme catalyseurs et retardateurs de feu.

Maintenant que nous avons exploré les propriétés des métaux, des non-métaux et des métalloïdes, essayons de répondre une question.

Lequel des énoncés suivants ne décrit pas une comparaison entre le nickel et le soufre ? (A) Le nickel a un point de fusion plus élevé que le soufre. (B) Le nickel est plus dense que le soufre. (C) Le nickel est plus mou que le soufre. (D) Le nickel est plus résistant que le soufre. Ou (E) le nickel est plus ductile que le soufre.

On nous demande de comparer les propriétés de deux éléments, le nickel et le soufre. Commençons donc par déterminer où se trouvent ces deux éléments dans notre tableau périodique. Le nickel se trouve dans le bloc d au milieu du tableau périodique, tandis que le soufre se trouve plus à droite. N’oubliez pas que les métaux se situent à gauche du tableau périodique. Et à droite se trouvent les non-métaux, à l’exception de l’hydrogène qui est bien sûr un non-métal.

Nous en déduisons que le nickel est un métal, tandis que le soufre est un non-métal. On nous demande donc en réalité dans cette question de comparer un métal et un non-métal. On nous demande aussi de trouver l’énoncé qui ne décrit pas une comparaison entre un métal et un non-métal. Nous pouvons donc nous attendre à trouver quatre affirmations justes et une fausse. Et la bonne réponse est cette fausse affirmation.

Commençons donc avec (A) le nickel a un point de fusion plus élevé que le soufre. Les propriétés d’un métal ou d’un non-métal sont souvent liées à leur structure, rappelons donc la structure d’un métal et d’un non-métal. Un métal est constitué d’un réseau régulier et compact d’atomes. Entre ces atomes, il y a une mer d’électrons délocalisés. Les non-métaux ont des structures beaucoup plus variées. Ils ont tendance à former des liaisons covalentes et parfois des molécules individuelles. Ils ont également tendance à avoir des électrons localisés contrairement aux électrons délocalisés dans un métal.

Mais comment relier cela aux propriétés de notre métal et de notre non-métal ? L’attraction entre les noyaux chargés positivement et la mer d’électrons chargée négativement dans un métal rend la liaison métallique très forte. À cause de cette structure très solide, il faudra beaucoup d’énergie pour le faire fondre par exemple. Les métaux ont besoin de beaucoup de chaleur pour fondre, ils ont des points de fusion élevés.

Rappelez-vous également que les non-métaux ont souvent des propriétés opposées à celles métaux. Parce que les non-métaux ont des structures beaucoup moins solides que celles des métaux, leur point de fusion est beaucoup plus bas, car ils ont besoin de beaucoup moins d’énergie pour fondre. En fait, certains non-métaux sont même gazeux à température ambiante, comme par exemple l’oxygène. On nous dit dans la réponse (A) que le nickel, un métal, doit avoir un point de fusion plus élevé que le soufre, un non-métal. Nous avons découvert que c’est vrai. Donc (A) n’est pas la bonne réponse.

Passons à (B) qui nous indique que le nickel est plus dense que le soufre. La densité est une mesure de la quantité de masse contenue dans un certain volume. Les métaux ont une structure en réseau, les atomes y sont serrés les uns contre les autres. Cela signifie qu’ils ont une densité élevée. Dans les non-métaux, en revanche, il n’y pas toujours beaucoup d’atomes dans un petit espace. Et les non-métaux tendent à avoir une faible densité. L’affirmation selon laquelle le nickel, un métal, a une densité plus élevée que le soufre, un non-métal est donc vraie. Ce n’est pas encore la bonne réponse.

L’énoncé (C) dit que le nickel est plus mou que le soufre. Nous avons déjà vu que la liaison métallique dans le nickel est très forte, tandis que la liaison dans les non-métaux est beaucoup plus faible. C’est ce qui rend très mous beaucoup de non-métaux. Cette affirmation selon laquelle le nickel, un métal, est plus mou que le soufre, un non-métal est donc fausse. C’est donc la bonne réponse. Vérifions quand même, pour être sûr, les deux dernières propositions.

(D) dit que le nickel est plus résistant que le soufre. Nous avons déjà vu que c’est vrai. Les métaux sont plus résistants que les non-métaux, donc (D) est incorrect.

L’énoncé (E) dit que le nickel est plus ductile que le soufre. Le mot « ductile » signifie qu’une substance peut être étirée en fils. Encore une fois en raison de leur structure, les métaux sont souvent ductiles. Lorsqu’on applique une force à un métal, les couches d’atomes peuvent glisser les unes sur les autres. C’est ce qui leur permet d’être étirés en fils. C’est pour cette même raison que les métaux sont également malléables, c'est-à-dire qu’ils peuvent être déformés par martelage. L’affirmation selon laquelle le nickel, un métal, est plus ductile que le soufre, un non-métal, est donc vraie. Les non-métaux ne sont pas ductiles. Ils sont en fait cassants, ce qui signifie que si vous essayez de les déformer, ils se cassent.

La seule affirmation fausse et donc la bonne réponse à notre question est (C): le nickel est plus mou que le soufre.

Résumons les points clés. Les métaux, situés à gauche du tableau périodique, et les non-métaux, situés à droite, ont tendance à avoir des propriétés opposées. Les métaux ont tendance à être durs, tandis que les non-métaux sont mous. Les métaux sont ductiles, c’est à dire qu’ils peuvent être étirés en fils ; et malléables, c'est-à-dire qu’ils peuvent être déformés par martelage. A l’inverse, les non-métaux sont fragiles, ce qui signifie que si vous essayez de les déformer, ils se cassent.

Les métaux ont une densité élevée, tandis que les non-métaux ont une faible densité. On peut polir les métaux pour leur donner un éclat, ce qui signifie qu’ils sont brillants, les non-métaux sont eux ternes. Les métaux peuvent conduire l’électricité, contrairement aux non-métaux qui sont des isolants. La structure des métaux, un réseau cristallin de noyaux étroitement serrés entourés d’une mer d’électrons délocalisés, explique beaucoup de leurs propriétés.

Et enfin, nous avons les métalloïdes qui se trouvent le long de la ligne en zigzag qui sépare les métaux des non-métaux sur le tableau périodique. Les métalloïdes présentent des propriétés intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux. Par exemple, un élément comme le silicium est un semi-conducteur. Vous pouvez trouver des métalloïdes comme le silicium dans les puces et les transistors.

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