Métaux et cations métalliques

Introduction

Le fil qui alimente cette salle est en cuivre : un solide rougeâtre, brillant, qui se plie sans casser et conduit l'électricité mieux que presque tout autre matériau. La bouillie bordelaise que les viticulteurs pulvérisent sur la vigne contient elle aussi du cuivre, mais sous la forme d'ions \(\ce{Cu^2+}\) : ni éclat, ni ductilité, ni conduction, une couleur bleue en solution et une toxicité pour les champignons. Entre les deux, un seul changement : l'atome a perdu deux électrons. Tout le sujet tient dans ce passage, et dans la question qu'il pose : que devient un élément métallique quand il cesse d'être un métal ?

Nous suivrons donc une trajectoire. D'abord le métal comme solide : pourquoi un ensemble d'atomes qui cèdent facilement leurs électrons forme-t-il un matériau conducteur, brillant et déformable ? Ensuite le passage du métal au cation, qui est une oxydation : on le provoque avec un acide, on l'exploite dans une pile, on le subit dans la corrosion, et on l'inverse par électrolyse. Enfin le cation lui-même, qui n'est jamais « nu » dans l'eau : entouré de molécules d'eau, il devient un acide, il échange ses ligands, il précipite, et c'est sur ces propriétés que reposent son identification et son dosage.

Une confusion fréquente est à lever d'emblée : la réactivité d'un métal ne se résume pas à une simple « propension à rouiller ». Si la thermodynamique nous indique si une transformation est possible (par exemple, via le potentiel standard \(E^{\circ}\) ou l'enthalpie libre de réaction \(\Delta_rG\)), elle ne nous dit rien sur la vitesse à laquelle elle se produit. Un métal peut être thermodynamiquement instable en présence de dioxygène mais rester intact pendant des décennies grâce à la passivation, formation d'une couche d'oxyde protectrice. Cette distinction entre « ce qui est possible » (thermodynamique) et « ce qui se produit » (cinétique) reviendra à chaque étape de la trajectoire.

I. Le métal, un solide à électrons délocalisés (Collège / Lycée, puis CPGE)

1. Le métal comme corps simple

Plus des trois quarts des éléments du tableau périodique sont des métaux. Ils occupent toute sa partie gauche et centrale, jusqu'à une frontière en escalier qui descend du bore vers le tellure et le long de laquelle se rangent les semi-métaux (silicium, germanium, arsenic, antimoine). Ce placement n'est pas un hasard de rangement : les métaux sont les éléments dont les électrons de valence sont peu nombreux et faiblement liés au noyau, ce que traduisent une énergie de première ionisation faible et une électronégativité basse (inférieure à 2 environ sur l'échelle de Pauling). Le sodium, avec un seul électron de valence \(3s^1\), est l'archétype ; le cuivre, en \(3d^{10}4s^1\), en est un autre.

À l'échelle macroscopique, un métal se reconnaît à un faisceau de propriétés qui vont ensemble : un éclat caractéristique (il réfléchit la lumière visible), une conductivité électrique élevée qui diminue quand la température augmente, une conductivité thermique élevée (le métal « paraît froid » au toucher parce qu'il évacue vite la chaleur de la main), et une aptitude à la déformation plastique : il est ductile (on l'étire en fil) et malléable (on le lamine en feuille). Un cristal de sel ou un morceau de verre, au contraire, se brise net sous le marteau.