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Métal

Introduction

Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors...) 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 également possible 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 (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) permet d'intégrer à la catégorie des métaux les polymères métalliques et autres composés organométalliques. Ce n'est cependant pas un critère toujours suffisant. Par exemple, le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) n'est pas un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) mais il possède une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) alpha nommée graphite qui correspond à cette définition.

Métal chauffé par un forgeron

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 (Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleïev, classification périodique des éléments (CPE) ou simplement tableau...) la diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non reliés par un côté). Un polygone à n côtés...) partant du bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) (B) et allant jusqu'au polonium (Le polonium est un élément chimique de symbole Po et de numéro atomique 84. C'est un métalloïde dont l'isotope 210Po est présent naturellement à l'état de traces dans les minerais d'uranium.) (Po) sépare les éléments métalliques (en bas à gauche) des éléments non métalliques (en haut à droite). Les éléments placés sur cette ligne sont des métalloïdes.

De plus, le caractère métallique des éléments d'une même colonne augmente avec le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'électrons (c'est-à-dire lorsque l'on descend dans le tableau). Par exemple, le carbone-diamant (Z=6) est un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et...), le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) (Z=14) est un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique,...) et l'étain (Z=50) est un métal .

Spéciation chimique

Les différents états d'oxydation, conformations, complexes ou formes transitoires représentent des espèces chimiques distinctes d'un élément et jouent un rôle majeur sur leur biodisponibilité et leur toxicité (La toxicité (du grec τοξικότητα toxikótêta) est la mesure de la capacité d’une substance à provoquer des effets néfastes et...) ou écotoxicité. Certaines espèces d'éléments traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le...) 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 (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et...) 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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) de liaison, etc.)
  • Partition : Répartition d'un composé dans les différentes phases d'un système (solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des...), etc.) selon des coefficients de partition spécifiques

Cette section décrit donc les principales catégories d'espèces chimiques relatives aux ÉTM et présente des exemples d'espèces chimiques de niveau toxique varié.

Oxydation et réduction

L'état d'oxydation ou de réduction des métaux dans un système influence leurs effets sur les organismes. Par exemple, le chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) oxydé Cr(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, le Cr(VI), qui s'avère toxique pour certains gènes, est cancérigène et pénètre facilement dans les cellules grâce à des transporteurs spécifiques. De plus, les formes les plus réduites de l'arsenic (L’arsenic est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole As et de numéro atomique 33, présentant des propriétés intermédiaires entre...) sont généralement 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 (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...). Par exemple, le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) comporte une vingtaine d'isotopes au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une...) 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 (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou l'arsenic, quatre fois...) et le 208Pb résulte de la dégradation du thorium, deux éléments radioactifs ; ainsi, l'abondance de ces isotopes s'accroît dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), 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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (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 engendre la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus...) de ces animaux.

Composé et complexe inorganique

Les métaux s'allient souvent à des ligands inorganiques pour former des composés ou complexes inorganiques possédant des propriétés physico-chimiques différentes. Par exemple, la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...), la solubilité, le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace...) de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit,...) ou la force de liaison de ces composés influencent le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) et par conséquent la biodisponibilité et la toxicité des métaux dans les organismes. Par exemple, certains sels de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) comme les chlorures (NiCl2) et les sulfates (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.

Composé organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.)

Les composés organiques tel les sucres, acides organiques, lipides ou autres composés organiques de faible poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la...) moléculaire ont des affinités plus ou moins importantes avec les métaux. Certains d'entre eux, des acides organiques comme l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) 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 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.

Certains composés organiques particuliers comme l'EDTA forment des complexes très stables avec les métaux que l'on nomme chélateurs. 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.

Composé organométallique (Un organométallique est un composé chimique comportant au moins une liaison carbone-métal. Il est néanmoins courant que l'on désigne sous ce terme l'ensemble des composés combinant un métal et un composé organique. Les...)

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.

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 (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant. C'est un processus ordonné, qui fait intervenir des...) 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 (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une...) d'essence, et sont très toxiques pour le système nerveux (Le système nerveux est un système en réseau formé des organes des sens, des nerfs, de l'encéphale, de la moelle épinière, etc. Il...) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (La biodégradation est la décomposition/dégradation de matières organiques par des micro-organismes (bactéries, champignons et algues). Les matériaux sont convertis en...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) 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 ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières organiques...) 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 : en général, un pH acide tend à solubiliser les métaux alors qu'un pH alcalin favorise leur adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins intenses. Ce phénomène...);
  • 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 (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de...) 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 stoechiométriques doivent évidemment 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 (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) 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+ + Ligandn- → Métal-Ligand

La constante d'équilibre Kéq associée à cette équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des quantités...) varie selon le type de lien :

  • Lien ionique: ~ 100 < Kéq < 104
  • Complexe: ~ 104 < Kéq < 108
  • Chélateur: ~ 108 < Kéq < 1020

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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de liaison.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0. Vous pouvez soumettre une modification à cette définition sur cette page.

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