Les métaux sont partout autour de nous et ils ont de nombreuses utilisations, en tant qu’éléments, alliages ou composés. Le calcium, par exemple, est un ion métallique important dans l’alimentation, car il est essentiel à la solidité des os et des dents. Le cuivre est aussi un métal, et c’est un excellent conducteur électrique et thermique. Il est largement utilisé dans le câblage électrique. Quant au fer, il est largement utilisé, sous de nombreuses formes, et constitue le composant principal de l’acier. Bref, les métaux sont absolument partout, mais savons-nous d’où viennent-ils ?
La première chose à savoir si l’on veut savoir d’où vient le métal, c’est de savoir ce qu’est exactement un métal. Un métal est un matériau, un élément, un composé, ou un alliage généralement dur, opaque, brillant et présentant une bonne conductivité électrique et thermique. Les métaux sont généralement malléables ; c’est-à-dire qu’ils peuvent être martelés ou pressés de manière permanente sans se rompre ou se fissurer, de la même manière qu’ils sont fusibles et ductiles.
En chimie, un métal est un élément qui forme facilement des ions positifs – ou cations – et possède des liaisons métalliques. Les métaux sont parfois décrits comme un réseau d’ions positifs entourés d’un nuage d’électrons délocalisés. Les métaux constituent l’un des trois groupes d’éléments qui se distinguent par leurs propriétés d’ionisation et de liaison, les deux autres groupes étant les métalloïdes et les non-métaux. Sur le tableau périodique, une diagonale allant du bore (B) au polonium (Po) sépare les métaux des non-métaux.
D’où viennent les métaux ?
La plupart des métaux purs – comme l’aluminium, l’argent et le cuivre – proviennent de la croûte terrestre. On les trouve dans les minerais qui se trouvent généralement dans la roche, à partir de laquelle le métal pur doit être extrait. Autrement dit, si vous creusez dans le sol et ramassez des roches, vous trouverez probablement des métaux. Les métaux ont tendance à former des composés, aussi appelés minéraux. Ce sont des solides naturels constitués de produits chimiques et de structures cristallines. Ils sont inorganiques, ce qui signifie qu’ils ne sont pas en vie.
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Les minéraux sont généralement constitués de plusieurs éléments mélangés, bien que certains, comme l’or, fassent exception à la règle, et se présentent sous leur forme élémentaire. Les métaux et les minéraux vont donc de pair. Les propriétés des métaux purs peuvent être améliorées en les mélangeant avec d’autres métaux pour former des alliages. Les métaux sont alors souvent divisés en métaux ferreux contenant du fer – par exemple, l’acier doux, l’acier au carbone et la fonte – et les métaux non ferreux, qui ne contiennent pas de fer – par exemple le cuivre, l’aluminium, l’étain et le plomb.
La métallurgie, le traitement industriel des métaux
La métallurgie est l’art et la science consistant à extraire les métaux de leurs minerais, et à les modifier. La métallurgie désigne habituellement des méthodes commerciales plutôt que des méthodes de laboratoire. Elle concerne également les propriétés et les structures chimiques, physiques et atomiques des métaux, ainsi que les principes selon lesquels les métaux sont combinés pour former un alliage. Si les propriétés chimiques des métaux n’ont été découvertes qu’assez récemment, la métallurgie dans sa forme la plus primitive existe depuis plusieurs millénaires.
Les gens ont commencé à fabriquer du métal il y a plus de 6000 ans, lorsqu’ils ont découvert comment extraire le cuivre de son minerai. Ils ont ensuite appris à fabriquer un alliage plus dur, le bronze, en ajoutant de l’étain au cuivre. Il y a environ 3000 ans, ils ont découvert le fer. En ajoutant de petites quantités de carbone au fer, ils ont découvert qu’ils pouvaient fabriquer un alliage d’acier particulièrement utile. Ainsi, les technologues et les concepteurs connaissent et utilisent les métaux et alliages purs depuis des millénaires.
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Cependant, ils n’ont compris la structure atomique des métaux que très récemment. Nous connaissons actuellement une centaine de métaux purs et un grand nombre d’alliages, qui possèdent tous une vaste gamme de propriétés. Actuellement, la métallurgie est subdivisée en métallurgie ferreuse et en métallurgie non ferreuse. La métallurgie des métaux ferreux implique des procédés et des alliages à base de fer ; tandis que la métallurgie des métaux non ferreux implique des procédés et des alliages à base d’autres métaux. La production de métaux ferreux représente 95 % de la production mondiale de métaux.
La première étape dans la fabrication des métaux consiste à extraire la roche minéralisée. Il faut parfois d’énormes quantités de minerai pour produire une petite quantité de métal. Le cuivre, par exemple, existe dans des minerais sulfurés qui ne contiennent que 0,25 % de cuivre. Le métal doit ensuite être extrait de la roche à l’aide de fours et de procédés électrolytiques. Enfin, avant que le métal puisse être utilisé, il doit souvent subir un traitement supplémentaire. Par exemple, le cuivre pur à 98 %, créé par fusion et réduction, doit être électro-raffiné pour produire du cuivre d’une pureté de 99,99 %.