Propriétés physiques des métaux et des non-métaux
Les métaux sont en général brillants (éclat métallique), durs, malléables (on peut les battre en feuilles), ductiles (on peut les étirer en fils), sonores (ils résonnent quand on les frappe) et bons conducteurs de la chaleur et de l'électricité. L'argent et le cuivre sont les meilleurs conducteurs ; le plomb et le mercure sont plutôt mauvais.
Les non-métaux sont en général ternes, cassants, non sonores et mauvais conducteurs. Beaucoup sont des gaz (oxygène, azote, chlore) ou des solides mous (soufre, phosphore) ; le brome est un liquide.
Les exceptions que l'on te demande souvent
- Le mercure est un métal, mais il est liquide à température ambiante.
- Le sodium et le potassium sont des métaux assez mous pour être coupés au couteau et ils fondent à basse température ; le gallium et le césium fondent dans la paume d'une main chaude.
- L'iode est un non-métal, mais il est brillant.
- Le carbone sous forme de diamant est la substance naturelle la plus dure ; sous forme de graphite, il conduit l'électricité.
Propriétés chimiques : réaction des métaux avec l'oxygène
La plupart des métaux se combinent à l'oxygène pour former des oxydes métalliques, qui sont basiques : par exemple 2Mg + O2 → 2MgO. Les oxydes basiques solubles (Na2O, K2O) se dissolvent dans l'eau pour former des bases alcalines.
Certains oxydes comme Al2O3 et ZnO réagissent à la fois avec les acides et avec les bases ; ce sont des oxydes amphotères. Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O et Al2O3 + 2NaOH → 2NaAlO2 + H2O.
Chaque métal réagit à sa façon : le sodium et le potassium s'enflamment à l'air libre, on les conserve donc sous du pétrole lampant ; le magnésium brûle avec éclat quand on le chauffe ; le fer ne brûle que sous forme de fine limaille ; le cuivre forme seulement une couche noire de CuO ; l'argent et l'or ne réagissent pas, même chauffés. Les non-métaux forment des oxydes acides ou neutres (SO2 et CO2 sont acides ; CO et N2O sont neutres).
Réaction des métaux avec l'eau
Métal + eau → hydroxyde (ou oxyde) du métal + dihydrogène.
- Le sodium et le potassium réagissent violemment avec l'eau froide ; la chaleur peut enflammer le dihydrogène. 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2.
- Le calcium réagit moins violemment ; des bulles restent collées dessus, donc il flotte.
- Le magnésium réagit avec l'eau chaude (et il flotte aussi).
- L'aluminium, le zinc et le fer ne réagissent qu'avec la vapeur d'eau, en donnant l'oxyde : 3Fe + 4H2O(vapeur) → Fe3O4 + 4H2.
- Le plomb, le cuivre, l'argent et l'or ne réagissent pas du tout avec l'eau.
Réaction des métaux avec les acides dilués
Métal + acide dilué → sel + dihydrogène, par exemple Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2. L'effervescence est la plus rapide pour Mg, puis Al, Zn, Fe. Le cuivre ne donne pas de dihydrogène avec HCl dilué.
Avec l'acide nitrique, le dihydrogène ne se dégage généralement pas, car HNO3 est un oxydant puissant qui transforme l'hydrogène en eau. Seuls le magnésium et le manganèse donnent H2 avec de l'acide nitrique très dilué. L'eau régale (3 volumes de HCl concentré pour 1 volume de HNO3 concentré) peut dissoudre l'or et le platine.
Réaction des métaux avec les solutions de sels (déplacement)
Un métal plus réactif chasse un métal moins réactif de sa solution saline : Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu. La solution bleue devient vert pâle et une couche de cuivre brun se forme sur le clou. Le cuivre ne peut pas chasser le fer de FeSO4, donc il ne se passe rien dans l'autre sens.
La série de réactivité
Ranger les métaux par ordre décroissant de réactivité donne la série de réactivité : K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > [H] > Cu > Hg > Ag > Au.
- Les métaux situés au-dessus de l'hydrogène donnent H2 avec les acides dilués ; ceux du dessous n'en donnent pas.
- Un métal peut chasser de sa solution saline n'importe quel métal situé en dessous de lui.
- La position décide aussi de la façon d'extraire le métal (voir la leçon sur l'extraction).
Aux examens, on te demande souvent de prévoir un déplacement, de classer des métaux d'après des observations, ou d'expliquer pourquoi le cuivre ne réagit pas avec HCl dilué (en général 2 à 3 points).
Formules et définitions clés
- Métal + oxygène → oxyde métallique (basique ; Al₂O₃ et ZnO amphotères)
- Métal + eau → hydroxyde/oxyde du métal + H₂
- Métal + acide dilué → sel + H₂ (seulement les métaux au-dessus de H)
- Métal A + sel du métal B → sel de A + métal B (si A est au-dessus de B)
- Série de réactivité : K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Au
Exemples résolus
1. Pourquoi conserve-t-on le sodium sous du pétrole lampant ?
Le sodium réagit très vite avec l'oxygène et l'humidité de l'air et peut s'enflammer. Le pétrole lampant ne réagit pas avec le sodium et le protège de l'air et de l'eau.
2. Écris l'équation équilibrée du zinc avec l'acide sulfurique dilué et nomme le gaz.
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂. Le gaz est le dihydrogène ; il brûle avec un petit claquement quand on approche une allumette enflammée.
3. Montre que l'oxyde d'aluminium est amphotère.
Avec un acide : Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O (il se comporte comme une base). Avec une base : Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O (il se comporte comme un acide). Comme il réagit avec les deux, il est amphotère.
4. Le métal X chasse le cuivre de CuSO₄ mais pas le zinc de ZnSO₄. Place X dans la série de réactivité.
X est au-dessus de Cu (il chasse Cu) mais en dessous de Zn (il ne peut pas chasser Zn). Donc Zn > X > Cu ; X pourrait être le fer ou le plomb.
5. On plonge une lame de cuivre dans du nitrate d'argent. Que vois-tu et pourquoi ?
Le cuivre est au-dessus de l'argent, donc Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag. Des cristaux d'argent gris brillant se forment sur le cuivre et la solution devient lentement bleue.
Erreurs fréquentes
- Dire que tous les métaux sont solides : le mercure est un métal liquide.
- Croire que tous les métaux donnent du dihydrogène avec un acide : le cuivre, l'argent et l'or (sous H) n'en donnent pas.
- Écrire que les métaux donnent du dihydrogène avec l'acide nitrique : HNO₃ oxyde H₂ en eau (sauf Mg et Mn avec l'acide très dilué).
- Inverser le déplacement : un métal plus bas ne peut jamais chasser un métal plus haut, par exemple Cu + FeSO₄ → pas de réaction.