Les principales fonctions de la chimie minérale
1 Introduction
Par opposition aux corps simples, composés d'une seule espèce atomique comme les gaz hydrogène H2, azote N2, oxygène O2, ozone O3 (qu'il ne faut pas confondre avec les corps purs faits d'une seule espèce moléculaire, que l'on oppose aux mélanges faits de plusieurs espèces moléculaires), les corps composés sont dits binaires, ternaires ou quaternaires selon qu'ils sont composés respectivement de deux, trois ou quatre espèces atomiques.
Rappelons que les métaux sont des éléments électropositifs (= enclins à perdre un ou plusieurs électrons et à devenir des ions positifs ou cations; leur valeur d'électronégativité est faible) et que les non-métaux sont des éléments électronégatifs (= qui ont tendance à capturer un ou plusieurs électrons et à devenir des ions négatifs ou anions; leur valeur d'électronégativité est élevée). Contrairement aux non-métaux, les métaux réfléchissent en grande partie les rayons lumineux et acquièrent de ce fait un éclat caractéristique, dit "métallique"; les métaux sont malléables et ductiles (= qui peuvent être étirés sans se rompre); les métaux sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité. Nous symboliserons les métaux, ainsi que les éléments à prédominance métallique, par la lettre "M" et les non-métaux, ainsi que les éléments à tendance non-métallique, par la lettre "M'". En considérant deux métaux, dont éventuellement l'hydrogène H, et deux non-métaux, dont éventuellement l'oxygène O, de nombreuses combinaisons sont envisageables, dont les suivantes.
2 Les composés binaires
2.1 Les alliages métalliques
Un alliage est un composé fait de deux (ou plus de deux) éléments métalliques.
Il n'existe pas de règle générale pour désigner les alliages métalliques M1M2: chaque alliage a son propre nom vernaculaire.
Du point de vue physique, les alliages représentent une illustration matérielle du vieux dicton "l'union fait la force". L'Homme a toujours cherché des matériaux plus performants à l'utilisation, plus faciles à fabriquer et plus économiques. Les alliages métalliques constituent une classe de matériaux particulièrement importante dans la société humaine, et ce depuis l'âge du bronze. Les métaux de grande pureté (99,99% en poids du métal, ou mieux) n'ont pas, dans l'ensemble, d'utilisation pratique en dehors de la distribution d'électricité (cuivre, aluminium); cela est dû à leurs propriétés très médiocres, sauf en ce qui concerne les conductivités électrique et thermique, d'autant meilleures que le métal considéré est plus pur. Les impuretés, malgré la connotation péjorative du mot, durcissent les métaux et, pour peu qu'elles soient judicieusement choisies et dosées, permettent d'améliorer sensiblement les possibilités d'emploi de ces métaux ainsi que, souvent, les conditions de leur mise en œuvre.
Si la soudure, au vrai sens du terme, est la liaison de deux pièces de métal par fusion du-dit métal, on utilise souvent, pour joindre deux pièces métalliques, un métal ou un alliage métallique d'apport, d'une autre nature, appelé brasure. La brasure alliée a une température de fusion plus faible et, au contact de la brasure liquide, les atomes des pièces métalliques forment, avec les atomes de la brasure, un alliage solide. Il convient d'adapter la nature de la brasure aux métaux à unir, afin de ne pas former un alliage peu résistant. Certains métaux affaiblissent en effet les alliages lorsqu'ils se trouvent associés. C'est le cas de l'antimoine Sb et du zinc Zn. Comme l'antimoine est naturellement présent dans le plomb Pb qui est la base des brasures pour le cuivre (une brasure 60% d'étain Sn - 40% de plomb Pb, contenant éventuellement 2% de cuivre Cu pour augmenter sa solidité ou moins de 0,5% d'argent Ag pour améliorer le contact électrique, et fondant à 190°C, est utilisée pour unir les fils électriques en cuivre), et comme le zinc est un des composants du laiton, certaines brasures pour cuivre ne conviennent pas pour les pièces en laiton.
La fonte de fer, alliage de fer Fe et de 2 à 5 % en poids de carbone C, exemple type d'alliage, même s'il est particulier (le carbone n'est pas un métal), permet de réaliser de nombreux objets qui vont du bâti de machine-outil au bras de suspension d'automobile en passant par les tuyaux d'adduction d'eau. Cette même fonte commence à fondre à 1150°C environ, tandis que le fer pur n'a aucune application dans la vie quotidienne, et fond à 1538°C.
L'acier est un alliage de fer et de carbone renfermant au maximum 2 % de ce dernier élément. Contrairement à la fonte, qui contient plus de 2% de carbone, l'acier est un métal ductile: il peut subir des changements de forme par compression ou extension à chaud ou à froid. Il est caractérisé, en outre, par une propriété fondamentale qui est la raison du développement considérable de ses emplois: il "prend la trempe", c'est-à-dire qu'il est susceptible d'acquérir une grande dureté lorsqu'il est chauffé à une température suffisamment élevée puis refroidi à une vitesse assez grande. On parle alors d'acier trempé.
En raison de son inaltérabilité (résistance à la corosion en raison de la formation d'une couche protectrice d'oxyde, pratiquement insensible à froid aux acides ou aux bases), on l'emploie l'étain Sn pour recouvrir l'acier (étamage). Le fer-blanc, utilisé notamment dans la fabrication des boîtes de conserves, est de l'acier ainsi protégé par immersion dans de l'étain fondu ou dans un bain électrolytique contenant des sels d'étain.
L'acier peut contenir des quantités importantes d'éléments d'alliage: il est considéré alors comme un acier allié. Les exemples les plus connus sont ceux des aciers inoxydables. Par exemple, l' "inox" 18/10 familier des cuisiniers est un acier contenant 18% de chrome Cr et 10 % de nickel Ni: sa composition et le fait qu'il soit trempé le rend insensible à la corrosion par le sulfate d'hydrogène (= acide sulfurique). Certains aciers inoxydables ne contiennent que 0,1 % de C, moins que de Si, de Mn et de P.
Dans le cas du duralumin, alliage léger créé en 1906 à Düren en Allemagne (d'où son nom), fait de 96% d'aluminium Al, 3,5% de cuivre Cu et 0,5% de magnésium Mg, le réseau cristallin de l'aluminium est capable, à 550°C, de s'accommoder de la présence d'atomes de cuivre, répartis sur des positions normalement occupées par l'aluminium. Une trempe à l'eau ramène cette situation à la température ambiante, et le produit obtenu présente une dureté supérieure à celle de l'aluminium pur. On fabrique en duralumin des pièces légères et résistantes d'avion, de voiture, les barreaux d'échelle de spéléologie, etc.
Le zinc allié à 4% d'aluminium, 1% de cuivre et 0,04% de magnésium produit le zamak (=zamac), utilisé pour la fabrication de petites pièces de mécaniques et de taille-crayons par exemple.
Le maillechort, du nom de ses inventeurs MAILLOT et CHORRIER, est un alliage de 45 à 75% de cuivre, de 5 à 45% de zinc et de 6 à 26% de nickel, comprenant un peu de plomb, de manganèse, et du fer sous formes d'impuretés. Selon sa composition, le maillechort sert à fabriquer des ressorts, des connecteurs électriques, vu sa bonne aptitude à se déformer à froid, est utilisé en orfèvrerie et en décoration, étant donné sa bonne résistance à la corrosion, ou encore permet de fabriquer des clés, des branches ou des charnières de lunettes, des pièces d'instruments de musique ou de micromécanique, étant donné son usinage aisé.
Les laitons, appelés orichalque puis archal dans l'Antiquité (en Wallonie, ce terme existe toujours pour désigner le "fil d'archal"), sont des alliages à base de cuivre Cu et de zinc Zn; ils renferment de 5 à 45% de zinc et, éventuellement, divers autres éléments en faibles proportions destinés à améliorer certaines propriétés. La teinte agréable des laitons, variant du rose au jaune selon la teneur en zinc, leur bonne résistance à la corrosion et leur aptitude aux traitements de surface permettent de réaliser économiquement des objets de belle présentation, d'un usage durable et d'un entretien facile. Le chrysocalque est un alliage de cuivre et de zinc imitant l'or en bijouterie. Néanmoins, les laitons sont attaqués par le nitrate d'hydrogène, de sorte qu'une bague en laiton plaquée or, coupée et plongée dans le nitrate d'hydrogène (= acide nitrique), ne demeure que sous forme d'une fine pellicule d'or inaltérable.
Les bronzes ou airains sont des alliages de cuivre Cu et d'étain Sn dont la proportion approximative est de dix pour un; le nouvel alliage est plus fluide quand il est en fusion et plus dur quand il est froid. La qualité des pièces obtenues est donc plus grande, en particulier pour les armes et les outils. Le bronze ou airain a été façonné par l'Homme depuis le 3è millénaire AC. La teneur en étain des alliages industriels est comprise entre 3 et 20%. Aux teneurs plus élevées, les bronzes deviennent de plus en plus fragiles, et ils sont alors réservés à des emplois très particuliers, comme la fabrication des cloches qui renferment de 20 à 25% d'étain. En raison de leur excellente aptitude au moulage, les bronzes sont surtout des alliages de fonderie.
Le magnésium Mg et l'aluminium Al sont à la base d'alliages légers, dont certains sont très courants. Ils sont rencontrés dans les industries automobile et aéronautique. Les avions sont également de gros consommateurs, pour leurs structures, d'un alliage à base de titane Ti et de vanadium V.
En orfèvrerie, l'or pur Au est trop mou pour façonner des bijoux. On en fait donc des alliages. Chez nous, les alliages à l'or utilisés en bijouterie doivent avoir un titre (le titre est synonyme de concentration) égal ou supérieur à 75% soit 18 carats. Le carat est une unité de concentration pour les alliages à l'or, 24 carats correspondant à de l'or pur (=100%) (par ailleurs, le carat est aussi une unité de masse pour les pierres précieuses, le diamant en particulier: il vaut 0,2 g). Pour l'exportation, on utilise néanmoins de l'or 14, 9 ou 8 carats. Avec l'argent Ag et le cuivre Cu, l'alliage d'or à 18 carats a une couleur différente selon les quantités respectives de ces deux métaux:
On utilise encore les alliages Au-Cu-Nickel-Zinc (or gris) ou Au-Cu-Ni-Zn-Pd (=Palladium) (or gris palladié).
En dentisterie, les alliages utilisés sont ceux à 20-22 carats contenant de l'argent, du cuivre, du palladium Pd, de l'iridium Ir et du platine Pt, ou ceux, plus économiques, de moins de 4 carats à l'argent et au platine.
On utilise dans l'industrie, des alliages or-argent ou or-palladium pour des contacts électriques fiables d'interrupteurs, dans les circuits électroniques, les centraux téléphoniques, les vaisseaux spatiaux.
2.2 Les hydrures métalliques
Il s'agit de composés où l'hydrogène s'allie à un élément métallique plus électropositif que lui (le symbole du métal précède donc celui de l'hydrogène dans la formule chimique).
Le nom d'un hydrure métallique MH est "hydrure de métal".
Par exemple, NaH est la formule de l'hydrure de sodium, KH celle de l'hydrure de potassium.
2.3 Les sels binaires
Il s'agit de composés où un métal s'allie à un non-métal.
Le nom d'un sel MM' est "non-métallure de métal".
Par exemple, NaCl est la formule du chlorure sodium, KCl celle du chlorure de potassium et CaCl2 celle du chlorure de calcium.
Pour déterminer la formule exacte d'un sel binaire, il faut déduire le comportement de chaque partenaire de sa position dans le tableau périodique, soit le nombre d'électrons que chaque atome métallique a tendance à donner et le nombre d'électrons que chaque atome non-métallique a tendance à prendre. Par exemple, si le magnésium s'associe au chlore, on sait que chaque atome de Mg a tendance à donner deux électrons, mais que chaque atome de Cl n'en prend qu'un. Deux atomes de Cl doivent donc s'associer à un seul atome de Mg pour donner un composé électriquement neutre, et la formule du chlorure de magnésium est MgCl2.
2.4 Les hydracides
Il s'agit de composés où l'hydrogène s'allie à un non-métal.
Le nom d'un hydracide HM' est "non-métallure d'hydrogène". Anciennement, on l'appelait "acide non-métalhydrique".
Par exemple HCl, l' "esprit de sel" du droguiste, est la formule du chlorure d'hydrogène, encore appelé acide chlorhydrique, H2S celle du sulfure d'hydrogène ou acide sulfhydrique et HF celle du fluorure d'hydrogène ou acide fluorhydrique. Ce dernier est le seul acide à attaquer le verre, ce qui permet de nettoyer radicalement les vieux carreaux des serres ou encore d'écrire en relief sur une fiole plongée dans HF après avoir écrit ou dessiné un motif à l'aide d'une substance non-hydrosoluble.
De façon générale, un acide est une substance qui, en solution aqueuse, se dissocie et libère des protons (= des H+).
HCl est un acide car, en solution dans l'eau (à l'état pur HCl est un gaz), il se dissocie selon l'équation suivante:
HCl = H+ + Cl-
Plus la dissociation est forte, plus l'acide est fort. Il existe ainsi des acides forts, totalement ou presque totalement dissociés, et des acides faibles, partiellement dissociés. La concentration de la molécule acide intervient évidemment directement sur l'acidité.
Lorsqu'un acide, en solution aqueuse, est mis en contact avec un métal, le non-métal s'associe de préférence avec le métal, moins électronégatif que l'hydrogène, et les atomes d'hydrogène sont libérés sous forme de gaz dihydrogène en même temps qu'un sel binaire se forme:
2 HCl + Zn = 2 H+ + 2 Cl- + Zn = H2 + ZnCl2
2.5 Les oxydes basiques ou oxydes métalliques
Il s'agit de composés où l'oxygène s'allie à un métal.
Le nom d'un oxyde basique MO est "oxyde de métal".
Par exemple CaO est la formule de l'oxyde de calcium, appelé communément chaux vive. Dans les cas où plusieurs oxydes métalliques se forment avec un élément métallique donné, on prend l'habitude de noter entre parenthèses et en chiffres romains l'étage d'oxydation ou valence du métal derrière le nom de l'oxyde. Rappelons que le nombre ou étage d'oxydation correspond, pour chaque atome d'une molécule donnée, au nombre d'électrons que cet atome pourrait capturer ou perdre s'il passait à l'état d'ion. Ainsi, FeO est l'oxyde de fer (II) et Fe2O3 est l'oxyde de fer (III). On connaît ainsi, par ailleurs, l'oxyde de vanadium (III) V2O3, l'oxyde de vanadium (IV) V2O4 et l'oxyde de vanadium (V) V2O5.On utilise aussi la règle de nomenclature mentionnée au point suivant, valable pour les oxydes acides.
2.6 Les oxydes acides ou oxydes non-métalliques
Il s'agit de composés où l'oxygène s'allie à un non-métal.
Le nom d'un oxyde acide M'O est "oxyde de non-métal".
Par exemple CO est la formule de l'oxyde de carbone.
Lorsque, selon la loi de DALTON des proportions multiples, l'oxygène peut former différents oxydes avec un même élément, il faut distinguer chaque oxyde en l'affublant d'un préfixe correspondant au rapport "r" du nombre d'atomes d'oxygène au nombre d'atomes de non-métal. Les préfixes sont les suivants:
Par exemple CO est la formule du monoxyde de carbone et CO2 est la formule du dioxyde de carbone, Fe2O3 est la formule du sesquioxyde de fer et V2O5 est la formule de l'hémipentoxyde de vanadium.
3 Les composés ternaires
3.1 Les oxacides
Il s'agit de composés combinant l'hydrogène, un non-métal et l'oxygène.
De tels composés sont le résultat de l'hydratation d'oxydes acides; c'est la raison pour laquelle les oxydes acides étaient jadis appelé "anhydrides":
Le nom d'un oxacide HM'O est "non-métallate d'hydrogène". Anciennement, on l'appelait "acide non-métallique".
Par exemple H3PO4 est la formule du phosphate d'hydrogène, anciennement acide phosphorique, et H2CO3 celle du carbonate d'hydrogène, anciennement acide carbonique.
Lorsque le non-métal peut présenter deux nombres d'oxydation, le composé correspondant au plus petit nombre se termine en -ite (anciennement acide non-métalleux) et le composé correspondant au plus grand nombre se termine en -ate (anciennement acide non-métallique). Par exemple H2SO3 est le sulfite d'hydrogène (anciennement acide sulfureux) et H2SO4 le sulfate d'hydrogène (anciennement acide sulfurique et communément baptisé vitriol), HNO2 est le nitrite d'hydrogène ou acide nitreux et HNO3 est le nitrate d'hydrogène ou acide nitrique, et à côté du phosphate d'hydrogène (ou acide phosphorique) H3PO4, on trouve H3PO3, le phosphite d'hydrogène (ou acide phosphoreux).
Pour les halogènes présentant quatre nombres d'oxydation, les composés se distinguent en outre par un préfixe. Par exemple, HClO est l'hypochlorite d'hydrogène (ou acide hypochloreux), HClO2 est le chlorite d'hydrogène (ou acide chloreux), HClO3 est le chlorate d'hydrogène (ou acide chlorique) et HClO4 est le perchlorate d'hydrogène (ou acide perchlorique).
Tous les acides (hydracides et oxacides) répondent donc à la formule générale HR où R représente un non-métal (hydracides) ou un radical formé d'un non-métal et d'oxygène (oxacides). Les acides, qu'ils soient binaires ou ternaires, ont des propriétés communes: leur saveur piquante, une grande conductibilité électrique avec dégagement d'hydrogène à la cathode (= électrode négative, par opposition à l'anode, électrode positive) au cours de leur électrolyse, changement de coloration d'indicateurs colorés, réaction avec les métaux qu'ils attaquent avec dégagement d'hydrogène (le métal plus électropositif que l'hydrogène se substituant à l'hydrogène pour donner un sel). En solution aqueuse, tous les acides s'ionisent en libérant un ou des H+.
3.2 Les sels d'oxacides
Il s'agit de composés combinant un métal, un non-métal et l'oxygène.
On peut voir un tel composé comme le résultat de la substitution des atomes d'hydrogène d'un oxacide par des atomes d'un métal.
Le nom d'un sel d'oxacide MM'O est "non-métallate de métal".
Par exemple NaNO3 est la formule du nitrate de sodium, Ca(NO3)2 celle du nitrate de calcium ou Ca3(PO4)2 celle du phosphate de calcium. Dans chacun de ces composés, le nombre de charge positives de l'ensemble des cations égale le nombre de charges négatives de l'ensemble des anions et la molécule est neutre.
Notons que la réaction entre l'oxyde de calcium ou chaux vive et le dioxyde de carbone donne le carbonate de calcium ou calcaire:
CaO + CO2 = CaCO3
La chaux vive forme donc, au contact du dioxyde de carbone de l'air, un ciment solide, utilisé dans les anciens mortiers (= mortiers bâtards) faits de sable et de chaux vive.
3.3 Les hydrogénosels
Il s'agit de composés combinant un métal, l'hydrogène et un non-métal. Un tel composé correspond au sel d'un hydracide partiellement ionisé:
H2S = H+ + HS- (ion hydrogénosulfure) puis HS- = H+ + S- (ion sulfure)
Le nom d'un hydrogénosel MHM' est "hydrogénonon-métallure de métal".
Par exemple NaHS est la formule de l'hydrogénosulfure de sodium.
3.4 Les hydroxydes ou bases
Il s'agit de composés combinant un métal et le radical hydroxyde "OH" (raison pour laquelle on écrit MOH et non MHO, ordre logique selon les valeurs croissantes d'électronégativité).
Le nom d'un hydroxyde MOH est "hydroxyde de métal".
Par exemple NaOH est la formule de l'hydroxyde de sodium.
De tels composés sont le résultat de l'hydratation d'oxydes basiques:
Toutes les bases ont des propriétés communes: leur saveur astringente, une grande conductibilité électrique (et dégagement d'oxygène à l'anode au cours de leur électrolyse), changement de coloration d'indicateurs colorés, réaction avec les acides pour former un sel et de l'eau (un sel binaire avec les hydracides ou un sel ternaire avec les oxacides). En solution aqueuse, les bases s'ionisent en libérant un ou plusieurs radicaux OH-.
4 Les composés quaternaires
4.1 Les hydrogénosels d'oxacide
Il s'agit de composés combinant un métal, l'hydrogène, un non-métal et l'oxygène. Un tel composé correspond au sel d'un oxacide partiellement ionisé:
H2O + CO2 = H2CO3 = H+ + HCO3- (ion hydrogénocarbonate)
Le nom d'un hydrogénosel d'oxacide MHM'O est "hydrogénonon-métallate de métal".
Par exemple NaHCO3 est la formule de l'hydrogénocarbonate de sodium.