Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques mais aussi des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'ionisation et de liaison chimique ; les deux autres sont les métalloïdes et les non-métaux.

Bien que les métaux puissent être définis par leurs propriétés physico-chimiques, il est aussi envisageable de les catégoriser en employant une caractérisation de leur structure de bande : les métaux possèdent des bandes de valence et de conduction qui se recouvrent. Cette définition permet d'intégrer à la catégorie des métaux les polymères métalliques et autres composés organométalliques. Ce n'est cependant pas un critère toujours suffisant. A titre d'exemple, le carbone n'est pas un métal mais il possède une phase alpha appelée graphite qui correspond à cette définition.

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.

Dans le tableau périodique

Dans le tableau périodique des éléments la diagonale partant du bore (B) et allant jusqu'au polonium (Po) sépare les éléments métalliques (en bas à gauche) des éléments non métalliques (en haut à droite). Les éléments positionnés sur cette ligne sont des métalloïdes.

De plus, le caractère métallique des éléments d'une même colonne augmente avec le nombre d'électrons (c'est-à-dire quand on descend dans le tableau). A titre d'exemple, le carbone-diamant (Z=6) est un isolant, le silicium (Z=14) est un semi-conducteur et l'étain (Z=50) est un métal.

Propriétés

Propriétés physico-chimiques

Les métaux sont généralement des solides propres et cristallins dans les conditions normales de température et de pression (CNTP)  ; le mercure est cependant une exception notable dans la mesure où il est l'unique métal à l'état liquide dans les conditions normales (25 °C sous pression atmosphérique)  ;

L'hydrogène n'est pas cité généralement comme un métal, quoique sa position sur le tableau périodique des éléments, son aptitude à donner aisément des ions positifs et les découvertes récentes sur l'Hydrogène Métallique le permettraient.

Les métaux ont toujours un nombre d'oxydation positif : ils ne forment par conséquent que des cations.

La plupart du temps, les métaux sont extraits sous forme minérale plus ou moins cristallisée (cristal) dans leurs minerais et presque toujours combinés à un ou plusieurs autres atomes. Les métaux sont présents à l'état naturel sous forme :

• Associée à des éléments non-métalliques, sous forme :
  • D'oxyde (cas le plus habituel), dans des minerais : bauxite pour l'aluminium, hématite pour le fer, ilménite ou rutile pour le titane... L'ilménite, par exemple, principal minerai du titane est un oxyde mixte de titane et de fer (pourcentage des deux métaux entre 30 et 70 %)
  • De sulfures pyrite pour le fer ou de sulfates
  • Plus compliquée et même sous plusieurs formes différentes comme on l'a vu pour le fer.
• Pure ou associée à des éléments métalliques (alliages)  : On parle alors de métaux natifs. Ils incluent : bismuth, cadmium, chrome, indium, fer, nickel (dans des roches d'origine météoritique (nickel-fer) ), tellure, antimoine, titane, zinc, cuivre, plomb et mercure mais aussi les métaux nobles (métaux qui résistent à la corrosion ainsi qu'à l'oxydation... ) englobant les métaux précieux. Les métaux nobles peuvent être présents dans la nature sous forme :
  • Pure : Or, argent et platine
  • Associée au platine dans un minerai et nommé platinoïde (ruthénium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platine).

Seul l'or, l'argent, le cuivre et le platine sont présent dans la nature en grande quantité à l'état natif.

Propriétés électriques

Les métaux amènent le plus souvent bien l'électricité et la chaleur; en tête : l'argent, le cuivre et l'or.

La conduction électrique dans les métaux peut être analysée de manière microscopique ou macroscopique.

D'un point de vue microscopique, la principale raison vient de la liaison métallique. Les atomes métalliques forment des structures 2D ou 3D qui se répètent, nommées mailles. À l'intérieur, des électrons environ libres circulent entourés des atomes dont ils sont issus. C'est ce mouvement électronique qui est responsable de la bonne conduction; plus ces électrons sont libres, plus le métal est bon conducteur. Ces électrons plus ou moins libres sont nommés «électrons de conduction».

D'un point de vue macroscopique, c'est la théorie des bandes d'énergie qui apporte la réponse. En effet, dans les métaux la bande d'énergie la plus haute occupée et la plus basse vacante se chevauchent, ou au moins se touchent. Il faut ainsi peu d'énergie pour exciter un métal et plus il est facile de l'exciter, plus un métal pourra céder un électron et meilleur conducteur il sera.

Propriétés magnétiques

Quelques métaux présentent des propriétés magnétiques remarquables comme le ferromagnétisme, principalement le fer, le cobalt et le nickel à température ambiante. Certaines terres rares (Lanthanides dans la classification périodique) sont aussi ferromagnétiques à basse température. Les propriétés de magnétisme fluctuent quand on fait des alliages ce qui peut être mis à profit pour créer des aimants puissants où annuler le magnétisme d'un métal (le fer typiquement).

Spéciation chimique

Les différents états d'oxydation, conformations, complexes ou formes transitoires représentent des espèces chimiques différentes d'un élément et jouent un rôle majeur sur leur biodisponibilité et leur toxicité ou écotoxicité. Certaines espèces d'éléments traces métalliques (ÉTM) sont plus aisément assimilables par les organismes que d'autres, ce qui génère des effets bénéfiques ou néfastes selon la nature et la concentration du métal (élément essentiel ou non).

Il ne faut pas confondre la spéciation chimique d'un élément avec son fractionnement ou sa partition. La littérature scientifique confond parfois ces concepts ce qui complexifie les recherches dans ces domaines.

• Spéciation chimique : C'est la distribution d'un élément selon différentes catégories d'espèces chimiques dans un dispositif
• Fractionnement : C'est la classification d'un élément ou d'un groupe analysé comparé à ses propriétés physiques et/ou chimiques (grosseur de particules, solubilité, force de liaison, etc. )
• Partition : Répartition d'un composé dans les différentes phases d'un dispositif (solide, liquide, atmosphère, matière organique, etc. ) selon des cœfficients de partition spécifiques^[1]

Cette section décrit par conséquent les principales catégories d'espèces chimiques relatives aux ÉTM et présente des exemples d'espèces chimiques de niveau toxique varié^[2].

Oxydation et réduction

L'état d'oxydation ou de réduction des métaux dans un dispositif influence leurs effets sur les organismes. A titre d'exemple, le chrome oxydé Cr (III) est un élément essentiel (c'est-à-dire indispensable pour le bon fonctionnement de l'organisme) et pénètre difficilement les membranes lipidiques des cellules. Par contre, le Cr (VI), qui s'avère toxique pour certains gènes, est cancérigène et pénètre aisément dans les cellules grâce à des transporteurs spécifiques. Qui plus est , les formes les plus réduites de l'arsenic sont le plus souvent les plus toxiques : toxicité de AsH₃ > As (III) > As (V).

Composition isotopique

La composition isotopique de quelques éléments influence leur abondance ou leur toxicité dans l'environnement. A titre d'exemple, le plomb comporte une vingtaine d'isotopes au total et quatre d'entre eux sont sous une forme stable : ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb et ²⁰⁸Pb. Les ²⁰⁶Pb et ²⁰⁷Pb proviennent de la dégradation de l'uranium et le ²⁰⁸Pb résulte de la dégradation du thorium, deux éléments radioactifs ; ainsi, l'abondance de ces isotopes s'accroît dans le temps, et la composition isotopique du plomb évolue par conséquent selon les sources d'émission stimulées. Un autre exemple intéressant de variation de la toxicité est lié à la composition isotopique de l'eau (H₂O)  : remplacer 60 % de l'eau du corps de rongeurs par de l'H₂¹⁸O est sans effet tandis qu'une substitution de 30-40 % de cette eau par du D₂O^[3] génère la mort de ces animaux.

Composé et complexe inorganique

Les métaux s'allient fréquemment à des ligands inorganiques^[4] pour former des composés ou complexes inorganiques possédant des propriétés physico-chimiques différentes. A titre d'exemple, la charge, la solubilité, le cœfficient de diffusion ou la force de liaison de ces composés influencent le transport et donc la biodisponibilité et la toxicité des métaux dans les organismes. A titre d'exemple, certains sels de nickel comme les chlorures (NiCl₂) et les sulfates (NiSO₄) sont solubles dans l'eau et de faible toxicité orale, tandis que les sulfures de nickel (Ni₃S₂) sont quasiment insolubles dans l'eau mais sont cancérigènes.

Composé organique

Les composés organiques tel les sucres, acides organiques, lipides ou autres composés organiques de faible poids moléculaire ont des affinités plus ou moindres avec les métaux. Certains d'entre eux, des acides organiques comme l'acide citrique et l'acide malique, contiennent un groupement fonctionnel (l'hydroxylcarboxyle) qui se lie aisément aux métaux et qui diminuent leur biodisponibilité; ces composés sont particulièrement étudiés en écotoxicologie terrestre car ils sont excrétés par les racines des plantes et les micro-organismes du sol, créant une synergie qui diminue la toxicité des métaux dans le sol^[5].

Certains composés organiques spécifiques comme l'EDTA forment des complexes particulièrement stables avec les métaux qu'on appelle chélateurs. Les chélateurs sont des ligands solubles polydentés faiblement acides qui forment des complexes chélateur-métal thermodynamiquement forts ; ils sont parfois utilisés pour la restauration des eaux et des sols contaminés aux métaux ou dans les méthodes analytiques chimiques pour extraire les métaux d'une matrice.

Composé organométallique

Les composés organométalliques contiennent une liaison entre le carbone et le métal. Cette liaison peut être de nature covalente ou ionique; par exemple, les liaisons carbone-sodium et carbone-potassium sont fortement ioniques, les liaisons carbone-étain, carbone-plomb et carbone-mercure sont fortement covalentes et les liens carbone-lithium et carbone magnésium se situent entre la liaison ionique et la liaison covalente^[6].

A titre d'exemple, la bioalkylation, c'est-à-dire la formation d'un alkyle (CH_x) avec un métal par des micro-organismes spécifiques, est un processus habituel dans les sols et les sédiments. Or, quoique la méthylation des métaux (lien CH₃-métal) forme des composés plutôt toxiques, certains alkyles métalliques d'arsenic et de sélénium détoxifient le métabolisme de l'humain et d'autres organismes vivants. Néanmoins, la majorité des produits organométalliques résultant d'une bioalkylation sont d'origine anthropogénique, comme certains fongicides ou produits de combustion d'essence, et sont particulièrement toxiques pour le dispositif nerveux central de certains organismes (comme les dérivés d'alkyles d'étain, de plomb ou de mercure et d'or.

Composé ou complexe macromoléculaire

Les composés ou complexes macromoléculaires sont à la limite de représentation des espèces chimiques. Ils forment malgré tout une catégorie différente car ils jouent un rôle spécifiquement important dans la biodisponibilité des métaux pour les organismes vivants. En effet, les acides humiques et fulviques résultant de la biodégradation de la matière organique sont des anions mobilisant les ÉTM contenus dans les sols et dans les eaux. Les acides humiques et fulviques ont des structures et une composition particulièrement variables et complexes mais joueraient un rôle significatif sur la spéciation des métaux.

D'autres particules organiques et inorganiques tels la biomasse et les colloïdes adsorbent les métaux et diminuent ainsi leur toxicité en réduisant leur biodisponibilité. Par contre, d'autres macromolécules anioniques des organismes vivants, comme certains acides nucléïques ou les glycosaminoglycanes, se lient involontairement aux ÉTM et provoquent des mutagenèses dommageables pour l'organisme.

Paramètres influençant la spéciation des métaux

La spéciation des métaux dans les phases aqueuses et solides est influencée par plusieurs paramètres (Voir aussi section Environnement de cette page)  :

• Le pH : généralement, un pH acide tend à solubiliser les métaux tandis qu'un pH alcalin facilite leur adsorption;
• La matière organique : la matière organique adsorbe les métaux et est synonyme de stabilité (non biodisponibilité)
• La concentration des ligands : plus la concentrations des ligants inorganiques et organiques est élevée, plus le métal se lie à ce ligant et forme une espèce chimique populeuse
• La force du lien ionique ou covalent : plus le lien métal-composé est fort, plus l'espèce chimique associée à ce composé sera stable;
• La stœchiométrie : les principes stœchiométriques doivent bien entendu être respectés pour génèrer la formation des composés.

Cette spéciation implique que l'équilibre chimique est atteint. Or, la complexation des métaux avec les ligands inorganiques est particulièrement rapide car ils sont nombreux dans la phase aqueuse, mais la complexation des métaux avec les ligands organiques nécessite plus de temps car les sites d'adsorption ou d'attachement sont moins accessibles. Donc, il est préférable d'analyser la spéciation d'une contamination métallique sur une matrice contaminée stable depuis plusieurs années qu'une matrice fraîchement contaminée avec une dynamique chimique évolutive, sans quoi les analyses risquent d'être biaisées.

De plus, la constante d'équilibre relative à la notion d'équilibre chimique peut être illustrée par la réaction :

Métalⁿ⁺ + Ligand^n- → Métal-Ligand

La constante d'équilibre K_éq associée à cette équation fluctue selon le type de lien :

• Lien ionique : ∼ 10⁰ < K_éq < 10⁴
• Complexe : ∼ 10⁴ < K_éq < 10⁸
• Chélateur : ∼ 10⁸ < K_éq < 10²⁰

Ainsi, puisque K_éq est assez faible pour les paires ioniques et plus élevée pour les complexes, les métaux préfèrent s'associer à long terme aux complexes stables qu'aux paires ioniques de plus faible énergie de liaison.

Environnement

Contrairement aux composés organiques, les métaux ne sont pas biodégradables par les micro-organismes. Cette caractéristique génère certains problèmes de gestion de la contamination métallique. En effet, le sort des métaux dans l'environnement pose de grands défis analytiques; les métaux se retrouvent sous plusieurs formes dans le sol et dans l'eau (complexe avec la matière organique du sol, avec les minéraux, précipitation, ions libres, etc. ) complexifiant les prédictions de toxicité et d'écotoxicité ^{[7], [8]}.

Toxicité et écotoxicité terrestre

La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leur caractéristiques propres (radioactivité éventuelle et type de radioactivité, métal lourd, toxicité chimique, micro ou nanoparticules, etc. ), spéciation chimique et biodisponibilité ; plus l'espèce métallique est libre et mobile, plus elle est biodisponible et plus il y a un risque de toxicité sur les organismes vivants. Généralement, les ions métalliques libres (en solution) forment la forme chimique la plus disponible pour les organismes et par conséquent la plus susceptible d'être toxique. Cependant, d'autres espèces ou fractions de métaux peuvent être instables et mobiles (fraction labile ou liée aux oxydes libres par exemple) et génèrer un risque pour les organismes.

Certains métaux (fer, cuivre et zinc surtout) sont des éléments essentiels. Ils sont toxiques au-delà d'une certaines dose, mais une carence entraine des troubles métaboliques graves.

Ainsi, plusieurs paramètres influencent la toxicité des métaux dans les sols^{[9], [10]} :

• le pH : le plus souvent, un pH acide solubilise les métaux normalement immobiles et augmente par conséquent le risque de toxicité ;
• la composition du sol : les argiles et la matière organique du sol adsorbent les contaminants et les séquestrent sous forme de complexes stables faiblement mobiles, tandis que les particules plus grosses comme le sable ou le gravier retiennent moins les métaux du sol ;
• le temps passé après une contamination aiguë, ou le temps durant lequel une contamination chronique a eu lieu : un site fraîchement contaminé ne présente pas obligatoirement plus de toxicité qu'un site ayant subi une contamination diffuse mais étalée sur plusieurs années ou décennies ;
• le niveau de saturation des sites d'adsorption : plus les sites capables de fixer les métaux approchent leur niveau de saturation, plus le métal aura tendance à se solubiliser ou se rendre biodisponible.

Astronomie

On nomme métaux les produits des réactions qui ont lieu au cœur des étoiles, ce qui veut dire que, astronomiquement parlant, l'ensemble des éléments sauf l'hydrogène sont des métaux. (bien que sous certaines conditions de température et de pression, l'hydrogène peut avoir un comportement métallique : voir hydrogène métallique)

Liste

Métaux alcalins

Métaux alcalino-terreux

Métaux de transition

Métaux pauvres

Alliages

Les mélanges de métaux forment des alliages.

Notes et références

Voir aussi

Liens externes

• Base de données de la Entreprise française de chimie (SFC)

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