Chapitre 1 : Les métaux au quotidien

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1 Chapitre 1 : Les métaux au quotidien 1/ Histoire des métaux. A/ Activité 1 : Les métaux dans l histoire. Tous les métaux n'ont pas été découverts à la même époque. Ceux qui existent à l'état natif sont connus depuis des millénaires. D'autres, extraits de minerais, sont plus récents. Le CUIVRE Il a une couleur orange très caractéristique. Connu depuis plus de 3000 ans avant notre ère, il a d'abord été utilisé pour fabriquer des outils et des armes. Aujourd hui, il sert de conducteur électrique dans tous les fils électriques, dans les bobines d alternateurs, de tuyaux dans la plomberie, de connectiques pour le transfert de données informatiques Il est peu répandu à l'état natif ; cependant, de nombreux minerais en contiennent. (L'écorce terrestre en contient 0,006 %). L'ARGENT C'est un métal rare donc précieux. Il aurait été découvert après le cuivre et l or, vers 3500 ans avant Jésus-Christ. On l'employait comme monnaie. Aujourd hui, il sert dans la bijouterie et de conducteur électrique et thermique. Il existe à l'état natif et dans des minerais. (L'écorce terrestre en contient 0, %). Le FER À l'état natif, il existe en très petite quantité dans les météorites. En revanche, les minerais riches en fer sont nombreux (bauxite). Les Hommes commencèrent à l'extraire dès ans avant J.-C. Il concurrençait le cuivre, notamment dans la construction des outils et des armes. (L'écorce terrestre en contient 5,6%). L'ALUMINIUM Il est uniquement présent dans des minerais, principalement sous forme d'oxydes. Le métal pur est isolé pour la première fois en Mais son prix de revient est alors si élevé qu'on le considère comme métal précieux. Dès 1886, un procédé d'extraction beaucoup plus économique est découvert et une utilisation industrielle devient possible. L'aluminium est principalement extrait d'un minerai appelé bauxite, où il est présent sous forme d'oxyde (alumine). Ce minerai doit son nom au village des Baux-de-Provence où il fut découvert en (L'écorce terrestre en contient 8,2 %). Le ZINC À l'époque romaine, on soignait les plaies et les douleurs oculaires avec un minerai à base de zinc contenant aussi du cuivre et de l'étain. Les premières extractions de zinc à partir de minerais ont été réalisées en Chine et en Inde en 1000 après J.-C. Utilisé à l'échelle industrielle depuis le XVIII e siècle, le zinc entre dans la composition des alliages avec le cuivre (laiton) et l'étain (bronze). (L'écorce terrestre en contient 0,007 %). L'OR Ce précieux métal jaune fascine les Hommes depuis les temps les plus reculés (5000 ans avt. JC). Au V e millénaire avant Jésus-Christ, on en faisait déjà des bijoux et des pièces de monnaie. L'or n'existe qu'à l'état natif en très faible quantité. (L'écorce terrestre en contient 0, %).

2 Questions : 1/ Quel métal existe seulement à l état natif? C est l or. 2/ Cite les métaux obtenus à partir de minerais. : L argent, le cuivre, l aluminium, le fer et le zinc 3/ Pourquoi le zinc et l aluminium ne sont-ils pas classés parmi les métaux «anciens»?...? Car ils ont été découverts que récemment du fait qu ils n existent quasiment qu à l état de minerai. (Dans la bauxite pour l aluminium). 4/ Quel est le métal dont la découverte est la plus récente? C est l aluminium en / Classe par ordre décroissant la proportion de chaque métal dans la composition de l écorce terrestre : Or (4 x 10-7 %) Argent (7.5 x 10-5 ) (0.006%) Zinc (0.007%) Fer (5.6%) Aluminium (8.2%) 6/ Justifie l appellation de «précieux» pour l or et l argent : L'argent et l'or sont présents seulement en très faible quantité, d où leur coût élevé. 7/ Donne un exemple d utilisation de chaque métal, différent de celui présent dans ce document (à faire sur le cahier). métal fer cuivre aluminium zinc or argent Domaine d utilisation Construction, décoration, chaudière etc. Fils électriques, tuyauteries, alternateurs Ustensiles, emballages alimentaires, vélo Toitures, gouttières, robinetterie Bijou, placages, protection, isolation Circuits électroniques, pièces de monnaie 8/ Réalise une frise chronologique simple où tu classeras les métaux par ordre de découverte par l Homme. Tu souligneras en vert les métaux natifs, en rouge les métaux existant à l état natif et sous forme de minerai et en jaune les métaux existant seulement sous forme de minerai. (à faire sur le cahier). B/ Bilan L or, l argent, le cuivre et le fer : métaux anciens. Le zinc et l aluminium : métaux récents. Les métaux existent sous différentes formes : o A l état natif : directement sous forme de métal. o A l état de minerai : en association avec d autres substances. 2/ Comment reconnaitre les métaux usuels? A/ TP : Reconnaissance de métaux.

3 1/ Par leur couleur : 1/ Quelle est la couleur de la plaque de cuivre? Marron orangée 2/ Quels sont les métaux reconnaissables par leur couleur? Le cuivre et l or. 2/ Par leur malléabilité (rigidité) Essaie de tordre les plaques (sans forcer). Classe les 4 plaques métalliques de la moins rigide à la plus rigide. Zinc > aluminium > > fer (pour l or et l argent, difficile de tester à moins d être riche : /kg pour l or, 700 /kg pour l argent. 3/ Par leurs propriétés magnétiques Approche un aimant auprès des plaques métalliques. Quel est le seul métal magnétique (attiré par l aimant)? C est le fer. 4/ Par leur densité (masse volumique) L'histoire raconte que le roi Hiéron II de Syracuse aurait demandé à Archimède de vérifier si une couronne d'or, qu'il s'était fait faire, était totalement en or ou si l'artisan n'y aurait pas mis de l'argent. Il fallait évidemment le déterminer sans abîmer la couronne. Archimède aurait trouvé le moyen de vérifier si la couronne était vraiment en or, alors qu'il était au bain public, en commençant par mesurer sa masse m et son volume V. Il serait sorti plus tard dans la rue en criant «Eureka», ce qui signifie «j'ai trouvé»... Archimède mesurait en fait la masse volumique, masse de 1 cm 3 de métal. Métal Masse volumique (en g / cm 3 ) ou densité Fer 7,8 Formule : masse volumique = masse g volume ml ou cm Sur ta table, tu disposes d un cylindre en métal. Zinc 7,1 Aluminium 2,7 or 19.3 cuivre 8.9 argent 10.5 Mesure de la masse avec une balance : m = 25 g Masse volumique = = 2,7 g/cm 3 Mesure du volume : V = 9 cm 3

4 Réponse à la question avec le tableau : C est de l aluminium 5/ Par leur corrosion Les plaques de métaux laissées à l air libre pendant plusieurs semaines se corrodent, d autres pas. 1/ Quels sont les métaux dont l aspect n a pas changé? La plaque d aluminium, la statuette en or. 2/ Quel métal rouille? C est le fer 3/ Quel métal se recouvre d une couche verdâtre? C est le cuivre 4/ Quels métaux ternissent (qui n ont plus d éclat)? Il y a l argent qui noircit à l air humide, le zinc. Conclusion : Complète les organigrammes suivants

5 B/ BILAN (COURS) 1/ Propriétés des métaux On peut distinguer les métaux par différentes propriétés, dont : Leur couleur. La façon dont ils se corrodent (action de l air sur ces métaux). Leur propriété magnétique (sont-ils attirés ou non par un aimant?). Leur masse volumique ( kg/m 3 ou g/cm 3 ) ou densité. Leurs températures de fusion. Récapitulatif : Métal Symbole Photo Couleur Corrosion Aluminium Al Gris Ternit (blanchâtre) Comportement magnétique Masse de 1 cm 3 T fusion Aucun 2,7 g 660 C minerai Argent Ag Gris clair Noircit / ternit Aucun 10,5 g 960 C natif Cu Orangé Vert de gris ( toxique) Aucun 8,9 g 1084 C natif Fer Fe Gris foncé Rouille (marron orangé) Attiré 7,7 g 2750 C minerai Au Or Jaune Aucune Aucun 19,3 g 2856 C natif Zinc Zn minerai Gris Ternit et «granule» (grisâtre) Aucun 7,1 g 907 C 2 autres propriétés importantes : Excellents conducteurs électriques et thermiques Tous les métaux sont recyclables : Le fer est trié magnétiquement.

6 3/ Caractéristiques et domaines d utilisation des métaux. A/ Activité 2 : Métaux et alliages (utilisations et différences) Les toitures et gouttières en zinc Le zinc est un métal blanc gris. Il est préparé à partir d'un minerai, la blende. Il résiste à la corrosion dans l'air humide car il se recouvre d'une couche protectrice d'oxyde de zinc, imperméable à l'air. Le zinc est utilisé pour fabriquer des plaques de couvertures de toits, des gouttières, etc. Il sert également à galvaniser le fer, le protégeant ainsi de la corrosion. En le mélangeant avec le métal cuivre, on obtient un alliage, le laiton, employé pour fabriquer des tubes, des pièces de robinetterie, etc. Les rails en fer (acier) Le fer est un métal gris-blanc, magnétique. Il est préparé à partir de minerais comme l'hématite, la magnétite ou la limonite. Le fer ne résiste pas à la corrosion dans l'air humide. Il se forme un oxyde, la rouille, de couleur marron rouille, perméable à l'air. Il faut donc le protéger avec du vernis ou de la peinture. Associé à moins de 2 % de carbone, il forme un alliage, l'acier, largement utilisé dans la construction métallique: rails, ponts, charpentes, tôles de carrosseries d'automobiles, portails, ameublement, décoration, chaudières etc. Le papier en aluminium L'aluminium est un métal blanc-gris. Il résiste à la corrosion dans l'air car il se recouvre d'une couche d'oxyde d'aluminium, transparente et imperméable à l'air. L'aluminium, préparé à partir d'un minerai, la bauxite, est apprécié pour sa légèreté. Il sert à la fabrication d'ustensiles de cuisine, de carters de moteur, d'emballages alimentaires, d'huisseries métalliques, de bicyclettes, de canettes etc. Les fils électriques en cuivre Le cuivre est un métal marron-orangé. Le métal cuivre est préparé principalement à partir d'un minerai, la chalcopyrite. Il est utilisé pour fabriquer des fils électriques car c'est le meilleur conducteur d'électricité après le métal argent. Il est employé pour produire des conduites d'eau, des chaudières, car il est inaltérable à l'eau. Le cuivre et ses alliages comme le bronze et le laiton résistent à la corrosion dans l'air car, au contact de l'air, ils se recouvrent d'une couche d oxyde verte imperméable appelée vert de gris. La ruée vers l or L'or est un métal jaune très rare dans la nature, ce qui le rend très précieux. Il ne s'oxyde pas dans l'air, sec ou humide. Il est utilisé pour la fabrication de placages en or, de panneaux réfléchissants de modules spatiaux, de bijoux etc. La sobriété de l argent L'argent est un métal gris précieux car il est rare dans la nature. Il ne s'oxyde pas dans l'air sec mais ternit dans l'air humide. Il est utilisé pour la fabrication des circuits électroniques car c'est le meilleur conducteur d'électricité. Son alliage avec le métal cuivre lui donne plus de dureté et sert à fabriquer des pièces de monnaies, etc.

7 1/ Les métaux A l aide d internet et du fichier «métaux et alliage.pdf», complète le tableau ci-dessous : Fer Aluminium Zinc Or Argent Symbole atomique Fe Al Cu Zn Au Ag Exemple d objet fabriqué avec ce métal Chaudière Déco Ustensile Vélo Fils Tuyaux Toitures Gouttières Bijou Isolation Circuits bijoux Couleur avant exposition à l air gris foncé gris et rouge gris et jaune et gris et Aspect après exposition rouille gris mat vert-de-gris gris mat jaune et gris/noir à l air humide Attiré par un aimant? oui non non non non non Masse volumique (kg/m 3 ) T fusion / Les alliages (réponses à rechercher sur internet) a/ Donne la définition d un alliage : C est un mélange de plusieurs métaux, lui donnant des propriétés chimiques et physiques intéressantes. b/ Donne la composition des alliages suivants : Laiton Acier Bronze Fonte Maillechort ruolz billon zamak composition Zinc Fer Carbone (chrome + nickel) Etain Fer carbone Zinc Nickel Nickel Argent Argent Zinc Aluminium Magnésium cuivre B/ COURS

8 2/ Domaines d utilisation Fer Attiré par un aimant Bon marché Forte résistance mécanique sous forme d alliage (acier) Oxydation et destruction totale en l absence de protection. Utilisations : Bâtiment Coques de bateaux, véhicules... cuivre Très bon conducteur électrique Malléable Alliages (laiton, bronze) très intéressants utilisations : Câblage électriques Plomberie METAUX or Inaltérable Métal précieux (rare) Faible résistance mécanique utilisations : Bijouterie Electronique de pointe aluminium Le moins dense Se recouvre d une couche d oxyde qui le rend presque inaltérable Bonne résistance mécanique Utilisations : Transport, aéronautique Bâtiment Emballages (cannettes). argent Bon réflecteur de lumière Le meilleur conducteur électrique Faible résistance mécanique Très dense utilisations : Bijouterie Electronique Miroiterie Photographie, radiologie zinc Peu sensible à l oxydation Malléable entre 100 et 150 C utilisations : Lutte contre l oxydation (galvanisation). Bâtiment (toitures, conduits ) 3/ Les alliages Un alliage est un mélange de plusieurs métaux. En jouant sur le type et les proportions des métaux constituant un alliage, on améliore les propriétés physiques et chimiques de ce dernier. Alliages Aciers Laiton Zamak Alliages légers Bronze domaine Composition Propriétés Fer (80 à 90%) Carbone Chrome inox Nickel Résistance mécanique. Grande résistance à la corrosion (inox) Zinc (jusqu à 50%) Facile à mouler et à usiner. Zinc (95%) Aluminium (4%) Magnésium (1%) Résistant Facile à travailler Ne s oxyde pas. Idéale pour le moulage Aluminium (84 à 90%) Dur Léger résistant à la corrosion. (60 %) Etain (40 %) Résistance à la corrosion et à l usure

9 4/ Existe-t-il d autres métaux? Il existe environ 57 métaux dans l univers, répertoriés dans un tableau selon leurs propriétés : C est le tableau périodique des éléments

10 Avec tous ces métaux, on peut fabriquer une quasi-infinité d alliages. Un tout petit nombre d alliages a des propriétés intéressantes pour améliorer la vie de l homme.

11 Pour approfondir