Enchimie, lesmétaux sont desmatériaux dont lesatomes sont unis par desliaisons métalliques. Il s'agit decorps simples ou d'alliages le plus souvent durs, opaques, brillants, bonsconducteurs de la chaleur etde l'électricité. Ils sont généralement malléables, c'est-à-dire qu'ils peuvent être martelés ou pressés pour changer leur forme sans les fissurer, ni les briser. De nombreuses substances qui ne sont pas classées comme métalliques à pression atmosphérique peuvent acquérir des propriétés métalliques lorsqu'elles sont soumises à des pressions élevées. Les métaux possèdent de nombreuses applications courantes, et leur consommation s'est très fortement accrue depuis les années 1980, au point que certains d'entre eux sont devenus desmatières premières minérales critiques.
Dans une structure cubique centrée, chaque atome est situé au centre d'un cube formé par ses huit atomes voisins. Dans les structures cubique à faces centrées et hexagonale compacte, chaque atome est entouré par douze autres atomes, mais l'empilement de ces atomes diffère entre ces deux structures. Certains métaux peuvent adopter des structures cristallines différentes selon la température et la pression auxquels ils sont soumis.
Tous les métaux — notamment lesalliages — ne sont cependant pas cristallins, et il peut se former desalliages métalliques amorphes partrempe rapide d'alliages métalliques fondus. On utilise pour ce faire des métaux fondus dont les atomes ont des tailles sensiblement différentes, ce qui limite la cristallisation lors d'un refroidissement rapide. Également appelésverres métalliques, les alliages métalliques amorphes présentent, par rapport aux métaux usuels, une meilleureténacité, une moindre fragilité, ainsi qu'une plus grande résistance à la déformation et à lacorrosion.
La force d'une liaison métallique dépend notamment du nombre d'électrons libres par atome métallique, et atteint un maximum au sein desmétaux de transition vers le milieu dubloc d au niveau de la5e période et au-delà, parmi lesmétaux réfractaires. Les liaisons métalliques subsistant à l'étatliquide, contrairement aux autres liaisons interatomiques, le meilleur indicateur de la force de la liaison métallique d'un métal donné est sa température d'ébullition plutôt que sa température de fusion.
Dans letableau périodique des éléments, les métaux occupent la gauche, le centre et une partie de la droite du tableau, séparés desnon-métaux par lesmétalloïdes. Parmi les 110 éléments dont les propriétés chimiques ont été un tant soit peu caractérisées, on dénombre environ 86 métaux et 7 métalloïdes. La ligne de démarcation entre métaux et non-métaux du tableau ci-contre est conventionnelle : elle est arbitraire et ne marque pas une rupture nette des propriétés macroscopiques entre éléments, dont la transition entre métaux et non-métaux est relativement continue, donnant lieu à la superposition de propriétés métalliques et non métalliques chez certains métalloïdes. De plus, un même élément peut exister selon plusieursvariétés allotropiques aux propriétés davantage métalliques pour les unes et davantage non métalliques pour les autres : un bon exemple est l'étain, qui existe d'une part sous unephase α grise destructure cubique de typediamant, stable aux basses températures, aux propriétésmétalloïdes proches d'unnon-métal, et, d'autre part, sous unephase β blanche destructure tétragonale, dont les propriétés sont celles d'unmétal pauvre.
Les propriétés des métaux eux-mêmes ne sont pas uniformes, et l'on a coutume de les classer en familles plus ou moins informelles qui rendent compte des différences de propriétés entre ces éléments. Du point de vue chimique, le caractère métallique est d'autant plus marqué qu'on se déplace vers la gauche et vers le bas du tableau. Ainsi, les éléments les plus métalliques sont lesmétaux alcalins, tandis que les moins métalliques sont lesnon-métaux diatomiques, notamment leshalogènes. Entre les deux, d'autresfamilles d'éléments sont traditionnellement définies, comme lesmétaux alcalino-terreux, leslanthanides, lesactinides, lesmétaux de transition et lesmétaux dits « pauvres », ces derniers étant les métaux dont les propriétés métalliques sont les moins affirmées.
Du point de vue pratique, il existe une grande variété de termes désignant des familles d'éléments métalliques et d'alliages. On parle de métaux ferreux et non ferreux selon qu'on considère les alliages contenant ou dépourvus deferrite, respectivement. On parle demétaux nobles pour désigner les éléments métalliques résistants à lacorrosion et à l'oxydation dans l'air humide : ce sont leruthénium, lerhodium, l'argent, l'osmium, l'iridium, leplatine et l'or ; lemercure est parfois également considéré comme un métal noble, tandis que letitane, leniobium et letantale, qui sont pourtant très résistants à la corrosion, ne sont pas considérés comme des métaux nobles. On parle demétaux précieux pour désigner les métaux les plus rares et dont la valeur marchande est la plus élevée, comme typiquement l'or, l'argent, leplatine et lepalladium, qui ont chacun un code monétaireISO 4217 : XAU, XAG, XPT et XPD respectivement ; les platinoïdes sont également considérés comme des métaux précieux. On parle demétaux réfractaires pour désigner les métaux particulièrement résistants aux températures élevées et à l'usure : ce sont typiquement leniobium, lemolybdène, letantale, letungstène et lerhénium ; letechnétium est également réfractaire, mais n'est généralement pas mentionné comme tel car il estsynthétique etradioactif.
Les métaux sont en outre généralement caractérisés par une bonnemalléabilité et une grandeductilité qui leur permettent de se déformer sans se briser. Ainsi, le cuivre pur peut être étiré pour former desfils électriques, destuyaux (plomberie), être mis en plaque et martelé en forme decasseroles ; l'or pur peut également être mis sous forme defeuilles très fines. À l'inverse, certains éléments d'alliage permettent de durcir le métal : c'est par exemple le cas ducarbone qui durcit le fer pour donner de l'acier, de l'étain qui durcit lecuivre pour donner lebronze, ou encore de l'argent et du cuivre qui durcissent l'or.
La force desliaisons métalliques est la plus élevée aux environs du centre de lafamille desmétaux de transition, au niveau desmétaux réfractaires, car ces éléments ont un grand nombre d'électrons délocalisés dans leur structure. D'autres facteurs entrent cependant également en ligne de compte, comme lerayon atomique, lenuméro atomique, le nombre d'orbitales liantes, la superposition des énergies des orbitales et le type de structure cristalline ; les structures cubiques centrées donnent ainsi des liaisons métalliques moins fortes que les structures cubiques à faces centrées et hexagonales compactes car ces dernières ont unecoordinence plus élevée, c'est-à-dire qu'ils lient davantage d'atomes voisins que la première.
Les métaux ont une surface généralement brillante, et sont opaques dès que leur épaisseur dépasse quelquesmicromètres ; lesfeuilles d'or transmettent néanmoins une lumière verte.
L'écoulement visqueux autour des joints de grains, par exemple, peut donner lieu aufluage ou lafatigue du métal. Il peut également contribuer à d'importants changements dans la microstructure, comme la croissance des grains et l'accroissement localisé de la densité du matériau par élimination de la porosité intergranulaire. De plus, la nature non directionnelle desliaisons métalliques pourrait contribuer de manière significative à la ductilité des métaux solides.
Quelques métaux présentent des propriétés magnétiques remarquables comme leferromagnétisme. Ce sont notamment, à température ambiante, lefer, lecobalt et lenickel. Certainesterres rares (lanthanides dans laclassification périodique) sont également ferromagnétiques à basse température. Les propriétés magnétiques varient avec lesalliages, ce qui peut être mis à profit pour créer desaimants puissants ou annuler lemagnétisme d'un métal comme le fer.
Les métaux ont tendance à former descations en perdant desélectrons. Lesodium peut ainsi perdre un électron pour former le cation Na+, lecalcium deux électrons pour former le cation Ca2+, lefer deux électrons pour former le cation ferreux Fe2+ ou trois électrons pour former le cation ferrique Fe3+. Ces ions métalliques se retrouvent en solution ou dans dessels, comme lechlorure de lithium LiCl ou lesulfure d'argent Ag2S.
Les métaux réagissent avec l'oxygène de l'air pour former desoxydes de façon plus ou moins rapide : lefer forme de larouille en plusieurs mois, voire années, tandis que lepotassium brûle en quelques secondes. Lesréactions suivantes sont des exemples d'oxydation de métaux :
Lesmétaux de transition tels que lefer, lechrome, lecobalt et lenickel s'oxydent plus lentement car leur oxydation forme une couche depassivation qui protège l'intérieur du matériau. Certains forment une couche imperméable qui bloque complètement la progression de l'oxydation et permet de conserver pendant des décennies à la fois leur éclat métallique et leurs bonnes propriétés conductrices de l'électricité : ce sont par exemple l'aluminium, lemagnésium, lechrome (utilisé dans l'acier inoxydable) et letitane. Les oxydes métalliques sont généralementbasiques, par opposition aux oxydes desnon-métaux, qui sont plutôtacides ; les oxydes métalliques acides se rencontrent avec lesétats d'oxydation très élevés, comme avec letrioxyde de chrome CrO3, l'heptoxyde de dimanganèse Mn2O7 et letétroxyde d'osmium OsO4, qui présentent des réactions strictement acides. D'autres métaux, tels que lepalladium, leplatine et l'or ne réagissent pas du tout à l'air libre : pour cette raison, ils sont appelésmétaux nobles.
La corrosion des métaux peut être empêchée par leurpeinture, leuranodisation ou encore l'apposition d'unrevêtement. S'agissant d'une réactionélectrochimique, il faut, pour que la protection soit efficace, utiliser un métal plusréducteur que le métal, sinon le revêtement peut favoriser la corrosion, surtout en cas de rayures.
Unalliage est un mélange de deuxéléments chimiques ou davantage dont le principal constituant est un métal. La plupart des métaux purs sont trop mous, trop fragiles ou trop réactifs pour pouvoir être utilisés tels quels. Il est possible de moduler les propriétés des alliages en faisant varier les proportions relatives de leurs différents constituants. Il s'agit généralement de les rendre moins fragiles, plus durs, plus résistants à lacorrosion, ou encore de leur donner une couleur et un éclat plus attrayants. De tous les alliages métalliques utilisés de nos jours, ceux dufer —acier,acier allié(en),acier à outils,acier au carbone,acier inoxydable,fonte par exemple — en représentent l'essentiel de la production, aussi bien en valeur qu'en volume. Le fer allié aucarbone donne des aciers de moins en moins ductiles et résistants à mesure que le taux de carbone augmente. L'addition desilicium donne duferrosilicium, souvent allié à la fonte, tandis que l'addition dechrome (à plus de 10 %), éventuellement denickel et demolybdène, à des aciers au carbone donne de l'acier inoxydable.
Outre les alliages de fer, ceux decuivre, d'aluminium, detitane et demagnésium sont également importants d'un point de vue économique. Les alliages de cuivre sont connus sous forme debronze depuis l'âge du bronze. Lebillon était un alliage utilisé jusqu'auMoyen Âge pour faire des pièces de monnaie et constitué le plus souvent essentiellement de cuivre avec un peu d'argent et parfois demercure. De nos jours, le bronze désigne spécifiquement un alliage de cuivre et d'étain, tandis que lelaiton est un alliage de cuivre et dezinc, et que lemaillechort est un alliage de cuivre, de zinc et denickel. Ces alliages ont divers usages industriels, notamment dans lesinstallations électriques. Les alliages d'aluminium, de titane et de magnésium ont été développés plus récemment, et sont intéressants en raison de leur grande résistance mécanique pour unemasse volumique plutôt faible ; leur coût de revient est cependant élevé, ce qui restreint leur utilisation aux applications de haute technologie pour lesquelles les performances sont plus importantes que le coût. Parmi les différents alliages d'aluminium, on peut citer ceuxpour corroyage etpour fonderie. Lezamak est formé de zinc allié à l'aluminium, le magnésium et le cuivre.
Les alliages spéciaux destinés à des applications de pointe, ditssuperalliages, comme ceux desmoteurs à réaction, peuvent contenir plus d'une dizaine d'éléments différents. Lesalliages à mémoire de forme sont un autre type d'applications : les alliagesFe-Mn-Si,Cu-Zn-Al etCu-Al-Ni, par exemple, sont assez bon marché, mais il en existe une très grande variété.
Les métaux présentent le plus souvent unétat d'oxydation positif, c'est-à-dire qu'ils tendent naturellement à former descations. Il existe cependant desanions métalliques, avec un état d'oxydation négatif, par exemple avec certainscomplexes carbonyles comme Fe(CO)5− ou avec l'anion desodium Na−[1].
Une fois extraits desmines, les minerais sont traités pour isoler le métal recherché, le plus souvent parréduction chimique ouélectrolytique. Lapyrométallurgie utilise des températures élevées pour convertir les minerais en métaux bruts, tandis que l'hydrométallurgie passe par au moins une étape où le métal estsolvaté dans l'eau. Les méthodes employées dépendent des métaux et de leurs impuretés.
Lorsque le minerai est constitué d'uncomposé ionique du métal avec unnon-métal, le minerai doit généralement êtrefondu, c'est-à-dire chauffé en présence d'unréducteur pour en extraire le métal pur. De nombreux métaux communs comme lefer sont fondus en présence decarbone comme réducteur. D'autres métaux, en revanche, ne peuvent être réduits de cette façon, et sont purifiés parélectrolyse : c'est le cas de l'aluminium et dusodium notamment. Lessulfures ne sont pas réduits directement, mais sont d'abord grillés à l'air libre pour être préalablement convertis en oxydes, qui sont ensuite traités de manière classique.
Certains métaux etalliages possèdent une résistance structurelle élevée par unité de masse, ce qui les rend utiles pour transporter des charges lourdes et résister à des chocs violents. Les alliages métalliques peuvent être conçus pour avoir unerésistance élevée auxcontraintes de cisaillement, deflexion et dedéformation. Le même métal peut cependant être sujet à lafatigue à la suite de contraintes répétées ou d'un dépassement de la contrainte maximum. La résistance et larésilience des métaux a conduit à leur utilisation courante dans la construction desgratte-ciel et desouvrages d'art ainsi que dans celle de tous types devéhicules, d'appareils et dispositifs, d'outils, detuyaux, ou encore devoies ferrées.
Dans un certain nombre de cas, les métaux tendent à être remplacés par d'autres matériaux, en général pour des raisons de légèreté (polymères,matériaux composites,céramiques) ou de résistance à la corrosion ou à l'usure (céramiques). Ces matériaux ont toutefois eux aussi leurs limites par rapport aux métaux, en particulier les polymères et composites à matrice polymère ne sont pas utilisables à hautes températures et sont souvent plus souples, tandis que les céramiques résistent mal aux chocs.
Les différents états d'oxydation, conformations, complexes ou formes transitoires représentent des espèces chimiques distinctes d'un élément et jouent un rôle majeur dans l'élaboration, la corrosion, ainsi que sur leur biodisponibilité et leur toxicité ou écotoxicité. Certaines espèces d'éléments-traces métalliques (ÉTM) sont plus facilement assimilables par les organismes que d'autres, ce qui engendre 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 quelquefois 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 système ;
fractionnement : c'est la classification d'un élément ou d'un groupe analysé par rapport à ses propriétés physiques et/ou chimiques (grosseur de particules,solubilité, force de liaison, etc.) ;
Cette section décrit donc les principales catégories d'espèces chimiques relatives aux ÉTM et présente des exemples d'espèces chimiques de niveau toxique varié[4].
Comme indiqué précédemment, les métaux se trouvent en général naturellement dans des minerais ; ils sont à l'état oxydé. Par exemple, le fer se trouve à l'état Fe(III) dans l'hématite, à l'état Fe(II) et Fe(III) dans lamagnétite, l'aluminium dans l'état Al(III) dans labauxite… La métallurgie primaire consiste essentiellement en laréduction du minerai pour obtenir un état d'oxydation (0).
À l'inverse, en réagissant avec l'environnement, le métal va s'oxyder et se dissoudre dans l'eau ou bien se lier à d'autres atomes ou ions, en particulier l'oxygène et l'ionhydroxyle. C'est un des mécanismes principaux de la corrosion.
L'état d'oxydation des métaux dans un système influence leurs effets sur les organismes. Par exemple, le chrome(III) est un élément essentiel (c'est-à-dire nécessaire pour le bon fonctionnement de l'organisme) et pénètre difficilement les membranes lipidiques des cellules. En revanche, leCr(VI), qui s'avère toxique pour certains gènes, est cancérigène et pénètre facilement dans les cellules grâce à des transporteurs spécifiques. Dans d'autres cas, ce sont les formes moins oxydées qui sont toxiques, par exemple avec l'arsenic dont la toxicité est plus importante pour As(III) que pour As(V).
La composition isotopique de quelques éléments influence leur abondance ou leur toxicité dans l'environnement. Par exemple, leplomb comporte une vingtaine d'isotopes dont quatre sont stables :204Pb,206Pb,207Pb et208Pb. Les206Pb et207Pb proviennent de la désintégration de l'uranium et le208Pb résulte de la désintégration duthorium, deux éléments radioactifs ; ainsi, l'abondance de ces isotopes s’accroît dans le temps, et la composition isotopique du plomb évolue donc 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 alors qu'une substitution de 30-40 % de cette eau par du D2O[5] engendre la mort de ces animaux.
Les isotopes métalliques sont utilisés comme traceurs pour les phénomènes dediffusion : on élabore un métal contenant une quantité notable d'isotope radioactif, et le profil de radioactivité permet de suivre la progression de ces atomes.
Les métaux s'allient souvent à des ligands inorganiques[6] pour former des composés ou complexes inorganiques possédant des propriétés physico-chimiques différentes. Par exemple, la charge, la solubilité, le coefficient de diffusion ou la force de liaison de ces composés influencent le transport et par conséquent la biodisponibilité et la toxicité des métaux dans les organismes. Par exemple, certains sels de nickel comme leschlorures (NiCl2) et lessulfates (NiSO4) sont solubles dans l'eau et de faible toxicité orale, alors que les sulfures de nickel (Ni3S2) sont pratiquement insolubles dans l'eau mais sont cancérigènes.
Les composés organiques tel les sucres, acides organiques, lipides ou autres composés organiques de faible poids moléculaire ont des affinités plus ou moins importantes 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 facilement aux métaux et qui diminuent leur biodisponibilité ; ces composés sont très étudiés enécotoxicologie 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[7].
Certains composés organiques particuliers que l'on nommechélateurs, comme l'EDTA, forment des complexes très stables avec les métaux. Les chélateurs sont des ligands solubles polydentés faiblement acides qui forment des complexes chélateur-métal thermodynamiquement forts ; ils sont quelquefois 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.
Lescomposés 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 laliaison ionique et la liaison covalente[8].
Par exemple, la bioalkylation, c'est-à-dire la formation d'un alkyle (CHx) avec un métal par des micro-organismes spécifiques, est un processus fréquent dans les sols et les sédiments. Or, bien que 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 plupart des produits organométalliques résultant d'une bioalkylation sont d'origine anthropogénique, comme certains fongicides ou produits de combustion d'essence, et sont très toxiques pour le système nerveux central de certains organismes (comme les dérivés d'alkyles d'étain, de plomb ou de mercure et d'or).
Les composés ou complexes macromoléculaires sont à la limite de représentation des espèces chimiques. Ils forment malgré tout une catégorie distincte car ils jouent un rôle particulièrement 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 très 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 nucléiques ou les glycosaminoglycanes, se lient involontairement aux ÉTM et provoquent des mutagenèses dommageables pour l'organisme.
La spéciation des métaux dans les phases aqueuses et solides est influencée par plusieurs paramètres (Voir aussi section Environnement de cette page) :
le pH : en général, un pH acide tend à solubiliser les métaux alors qu'un pH alcalin favorise 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 ligand 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 ;
lastœchiométrie : les principes stœchiométriques doivent être respectés pour engendrer la formation des composés.
Cette spéciation implique que l'équilibre chimique est atteint. Or, la complexation des métaux avec les ligands inorganiques est très 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. Par conséquent, 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 :
Ainsi, puisque Kéq est relativement 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.
Plages de prix des principaux métaux et alliages pour la conception d'une pièce mécanique, en 2007, en euro par kilogramme[9].
Le développement de nombreuses industries telles que l'électronique, lestechnologies de l'information et de la communication, et l'aéronautique, et le pari du « tout technologique » dans la recherche du rendement et de l'efficacité, ont conduit à une augmentation sans précédent de la production et de la consommation de métaux. La période de croissance de 1990 à 2010 a conduit à un doublement de la production des principaux métaux. Alors que dans les années 1970, on utilisait moins de 20 métaux dans la table de Mendeleïev, on en consomme environ 60 depuis les années 2000[10].
Il y a une tendance à la baisse de concentration moyenne des minerais. Par exemple, la concentration moyenne des minerais de cuivre exploités est passée de 1,8 % dans les années 1930 à 0,8 % en 2010[11]. Parallèlement, les réserves, exprimées au niveau de production 2008, se situent pour la plupart des métaux entre 20 et100 ans de production annuelle[12].
Depuis très longtemps les mines de certains métaux (précieux ou communs mais indispensables à l'industrie), les installations de raffinage, voire certains secrets de fabrication étaient considérés comme d'intérêtstratégique par les États. Les raisons militaires et l'avènement des armes et munitions métalliques puis de l'énergie et de l'arme nucléaire ont accru l'importance de certains métaux. Même pour des métaux géologiquement non rares comme le cuivre, mais faisant l'objet d'un marché fluctuant, de fortes hausses de cuivre se traduisent aussi par l'accroissement de vols de métaux (à titre d'exemple, en France, en 2010,RFF et laSNCF ont subi 2 100 vols de cuivre (quatre fois plus qu'en 2009), qui ont causé des dysfonctionnements et plusieurs dizaines de millions d'euros de préjudice par an pour la seconde[13].
La consommation de certains métaux autrefois sans valeur s'est fortement accrue auXXe siècle, avec par exemple l'uranium (fortement demandé pour des usages militaires et civils), les métaux du groupe duplatine (principalement utilisés pour les pots d'échappement catalytiques, comme catalyseur industriel ou pour leschimiothérapies anticancéreuses) lasurexploitation des ressources minières les plus accessibles ou les plus « pures » et malgré les économies permises par un recyclage d'une partie des métaux constituant les produits en fin de vie ou les chutes de production, la notion de métaux stratégiques est encore prégnante. Ainsi, la France a créé[14][réf. incomplète] en 2011 un « Comité pour les métaux stratégiques », chargé d'aider le ministère à élaborer et mettre en œuvre une politique rénovée de gestion de ces métaux, via notamment des approvisionnements mieux sécurisés. Le ministre chargé des matières premières en préside les trois collèges (administrations, organismes techniques et fédérations professionnelles et industriels). LaFEDEREC (fédération des entreprises du recyclage) et laFEDEM (fédération des minerais, minéraux industriels et métaux non ferreux) y participent.
Contrairement aux composés organiques, les métaux ne sont pas biodégradables par les micro-organismes. Cette caractéristique engendre 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[15],[16].
La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leurs caractéristiques propres (radioactivité éventuelle et type de radioactivité,métal lourd,toxicité chimique,micro ounanoparticules, etc.),spéciation chimique etbiodisponibilité ; 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. En général, les ions métalliques libres (en solution) constituent la forme chimique la plus disponible pour les organismes et donc 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 engendrer un risque pour les organismes.
Certains métaux (fer, cuivre et zinc notamment) sont des éléments essentiels. Ils sont toxiques au-delà d'une certaine dose, mais une carence entraîne des troubles métaboliques graves.
Ainsi, plusieurs paramètres influencent la toxicité des métaux dans les sols[17],[18] :
le pH : généralement, un pH acide solubilise les métaux normalement immobiles et augmente donc 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, alors 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 nécessairement 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 sont capables de fixer, les métaux approchent leur niveau de saturation, plus le métal aura tendance à se solubiliser ou se rendre biodisponible.
Pour aller de la mine à un objet façonné, il faut passer par de nombreuses étapes et utiliser beaucoup d'équipements qui consomment de l'énergie. Les métaux étant pratiquement tous sous forme d'oxydes ou de sulfures dans la nature, il faut, pour les obtenir sous forme métallique, fournir l'énergie nécessaire à casser les liaisons chimiques correspondantes.
L'empreinte énergétique d'un métal est la quantité d'énergie nécessaire pour obtenir du métal pur. Dans ce qui suit, la quantité d'énergie est mesurée en tep (tonne équivalent pétrole), pour une tonne de métal pur.
Pour obtenir l'énergie « contenue » dans un métal « neuf », issu de la première transformation du minerai, il faut prendre en compte :
La consommation énergétique totale pour la production de métaux bruts est alors de 730 à1 070Mtep, soit 7 à 10 % de l'énergie primaire mondiale. L'acier et l'aluminium en représentent la plus grande part, soit respectivement 544-680Mtep et 147-288Mtep[20].
Impact du recyclage
Les grands métaux sont globalement recyclables, et l'énergie nécessaire aurecyclage est bien moindre que l'énergie nécessaire à la fabrication du métal neuf. Par exemple, pour l'acier, l'énergie nécessaire au recyclage représente 25 à 40 % de l'énergie nécessaire à la production du métal primaire. Lerecyclage de l'aluminium ne nécessite quant à lui que 4 à 5 % de l'énergie requise pour la production de l'aluminium primaire[21].
En planétologie, les métaux sont les matériaux les plusdenses, comme le fer ou le nickel, qui composent le cœur desplanètes rocheuses. Ils constituent la catégorie des matériaux les plus « lourds » à côté des « gaz » (hydrogène, hélium), des« glaces » (composés contenant du carbone, de l'azote et/ou de l'oxygène, comme l'eau, le méthane et l'ammoniac) et des « roches » (silicates).
Enastrophysique, notamment enphysique stellaire et encosmologie, on appelle « métal » toutélément chimique autre que l'hydrogène et l'hélium. Ces éléments sont produits parnucléosynthèse stellaire à partir d'hydrogène et d'hélium, c'est-à- dire parfusion nucléaire, processus à l'origine de l'énergie libérée par les étoiles. De ce point de vue, lamétallicité d'une étoile est la proportion d'éléments autres que l'hydrogène et l'hélium qui la constituent.Elle est notée Z (X et Y représentant respectivement la proportion d'hydrogène et d'hélium).
↑C.H.Walker, S.P.Hopkinet al.,Principles of Ecotoxicology, Boca Raton: CRC PRESS, Taylor and Francis Group,, 315 p.
↑D.M.Templeton, F.Arieseet al., « Guidelines for Terms related to Chemical Speciation and Fractionation of Elements. Definitions, Structural Aspects, and Methodological Approaches »,Pure Applied Chemistry,vol. 72,no 8,,p. 1453-1470
↑Décret annoncé par le ministre chargé de l'Énergie le 26 janvier 2011.
↑Y.Ge, P.Murray et W.H.Hendershot, « Trace Metal Speciation and Bioavailability in Urban Soils »,Environmental Pollution,vol. 107,no 1,,p. 137-144
↑B.Cances, M.Ponthieuet al., « Metal Ions Speciation in a Soil and its Solution : Experimental Data and Model Results »,Geoderma,vol. 113,nos 3-4,,p. 341-355
↑R.Naidu, V.V.S.R.Guptaet al.,Bioavailability, Toxicity and Risk Relationships in Ecosystems, Endfield: Science Publishers, Inc.,,p. 58-82.
↑L.L'Herroux, S.Le Rouxet al., « Behavior of Metals following Intensive Pig Slurry Applications to a Natural Field Treatment Process in Brittany »,Environmental Pollution,vol. 97,nos 1-2,,p. 119-130.
: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.
PhilippeBihouix et BenoîtDe Guillebon,Quel futur pour les métaux ? : Raréfaction des ressources : un nouveau défi pour la société,EDP Sciences,
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