Introduction à la chimie

Termes

• l’exploitation minièreL’activité consistant à extraire de la terre des objets solides de valeur.
• alliageMétal qui est une combinaison de deux éléments ou plus, dont au moins un est un métal.
• métal natifTout métal que l’on trouve sous sa forme métallique, soit pure, soit sous forme d’alliage, dans la nature.

Métaux natifs

Un métal natif est tout métal que l’on trouve sous sa forme métallique dans la nature, soit pure, soit sous forme d’alliage. Les métaux que l’on peut trouver sous forme de dépôts natifs, seuls et/ou en alliage, comprennent l’antimoine, l’arsenic, le bismuth, le cadmium, le chrome, le cobalt, l’indium, le fer, le nickel, le sélénium, le tantale, le tellure, l’étain, le titane et le zinc.

Deux groupes de métaux peuvent également être trouvés dans la nature : le groupe de l’or et le groupe du platine.

• Le groupe de l’or se compose de l’or, du cuivre, du plomb, de l’aluminium, du mercure et de l’argent.
• Le groupe du platine se compose du platine, de l’iridium, de l’osmium, du palladium, du rhodium et du ruthénium.

Seuls l’or, l’argent, le cuivre et les métaux du groupe du platine sont présents dans la nature en plus grande quantité. À l’échelle des temps géologiques, très peu de métaux peuvent résister aux processus naturels d’altération comme l’oxydation. C’est pourquoi seuls les métaux les moins réactifs, comme l’or et le platine, sont présents à l’état natif. Les autres se présentent généralement comme des poches isolées où un processus chimique naturel réduit un composé ou un minerai commun du métal. Cela laisse le métal pur derrière sous forme de petites paillettes ou d’inclusions.

Les métaux natifs étaient le seul accès de l’homme préhistorique au métal. On pense que le processus d’extraction des métaux de leurs minerais (appelé fusion) a été découvert vers 6500 avant JC. Cependant, ces métaux ne pouvaient être trouvés qu’en quantités relativement faibles, et ne pouvaient donc pas être utilisés à grande échelle. Ainsi, si le cuivre et le fer étaient connus bien avant l’âge du cuivre et l’âge du fer, ils n’auront pas un grand impact sur l’humanité avant que la technologie permettant de les fondre à partir de leurs minerais, et donc de les produire en masse, n’apparaisse.

Alliages

Un alliage est un mélange de deux ou plusieurs éléments en solution solide dont le composant principal est un métal. La plupart des métaux purs sont soit trop mous, soit trop fragiles, soit trop réactifs chimiquement pour une utilisation pratique. La combinaison de différents ratios de métaux sous forme d’alliages modifie les propriétés des métaux purs pour produire des caractéristiques souhaitables. L’objectif de la fabrication d’alliages est généralement de rendre les métaux moins fragiles, plus durs ou plus résistants à la corrosion, ou d’améliorer leur couleur ou leur éclat.

De tous les alliages métalliques utilisés aujourd’hui, les alliages de fer (acier, acier inoxydable, fonte, acier à outils et acier allié) représentent la plus grande proportion tant en quantité qu’en valeur commerciale. Le fer allié à diverses proportions de carbone donne des aciers à faible, moyenne et haute teneur en carbone ; l’augmentation des niveaux de carbone réduit la ductilité et la ténacité. L’ajout de silicium produit des fontes, tandis que l’ajout de chrome, de nickel et de molybdène aux aciers au carbone (plus de 10 %) donne des aciers inoxydables.

Les autres alliages métalliques importants sont ceux d’aluminium, de titane, de cuivre et de magnésium. Les alliages de cuivre sont connus depuis la préhistoire – le bronze a donné son nom à l’âge du bronze – et ont de nombreuses applications aujourd’hui, notamment dans le câblage électrique. Les alliages des trois autres métaux ont été développés plus récemment ; en raison de leur réactivité chimique, ils nécessitent des procédés d’extraction électrolytique. Les alliages d’aluminium, de titane et de magnésium sont appréciés pour leur rapport résistance/poids élevé, et le magnésium peut également fournir un blindage électromagnétique. Ces matériaux sont idéaux dans les situations où un rapport résistance/poids élevé est plus important que le coût du matériau, comme dans l’aérospatiale et certaines applications automobiles. Les alliages spécialement conçus pour des applications très exigeantes, comme les moteurs à réaction, peuvent contenir plus de dix éléments.

Les minerais

Les métaux sont souvent extraits de la Terre au moyen de l’exploitation minière, ce qui donne des minerais qui sont des sources relativement riches des éléments requis. Le minerai est localisé par des techniques de prospection, puis par l’exploration et l’examen des gisements. Les sources minérales sont généralement divisées en mines de surface, qui sont exploitées par excavation à l’aide d’équipements lourds, et en mines souterraines.

Après l’exploitation du minerai, les métaux doivent être extraits, généralement par réduction chimique ou électrolytique. La pyrométallurgie utilise des températures élevées pour transformer le minerai en métaux bruts, tandis que l’hydrométallurgie emploie la chimie aqueuse dans le même but. Les méthodes utilisées dépendent du métal et de leurs contaminants.

Lorsqu’un minerai métallique est un composé ionique de ce métal et d’un non-métal, le minerai doit généralement être fondu (ou chauffé avec un agent réducteur) pour extraire le métal pur. De nombreux métaux courants, comme le fer, sont fondus en utilisant du carbone comme agent réducteur. Certains métaux, comme l’aluminium et le sodium, n’ont pas d’agent réducteur commercialement pratique et sont extraits par électrolyse. Les minerais sulfurés ne sont pas réduits directement au métal, mais sont grillés à l’air pour les convertir en oxydes.

.