[PDF] Chimie minérale systématique II Métaux et semi-métaux

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Chimie minérale systématique II

Métaux et semi-métaux

1 L'état métallique1.1 Caractéristiques des métaux

1.2 Les modèles de la liaison métallique

1.3 Les structures cristallines des métaux2 Les métaux des colonnes principales2.1 Les métaux alcalins2.2 Les métaux alcalinoterreux2.3 Les métaux terreux2.4 Les métaux germanium, étain et plomb2.5 Les métaux arsenic, antimoine et bismuth2.6 Les métaux tellure et polonium

3 Les métaux de transition3.1 La triade du cuivre3.2 La triade du zinc3.3 Les triades du scandium, titane et vanadium3.4 La triade du chrome3.5 La triade du manganèse3.6 La famille des métaux ferreux3.7 La famille des métaux platineux4 Les terres rares4.1 Les lanthanides4.2 Les actinides

L'état métallique :

Caractéristiques des métaux

Les métaux sont des solides cristallins

qui se distinguent par les propriétés suivantes :

Métalloïdes : B, Si, As, At

Semi-métaux : Ge, Sb, Te, PoMétauxNon-métaux Les cristaux métalliques sont considérés comme des molécules géantes dans lesquelles les atomes sont liés par liaisons covalentes (délocalisées).

Modèle covalent de la liaison métallique :

Théorie des bandes

Les structures cristallines des métaux :

Les trois prototypes

Prototype AuMaille cubique à faces centrées

(cubique compacte, 74%) (0) (½) (0) (0)(½) Prototype WPrototype MgMaille cubique à corps centré (non compacte, 68%)Maille hexagonale (hexagonal compacte, 74%) Prototype or :Ca, Sr, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Al, Pb Prototype magnésium :Be, Mg, Y, La, Zr, Hf, Ru, Os, Zn, Cd, Tl Prototype tungstène :Li, Na, K, Rb, Cs, Ba, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe

Structure propre :Mn, Ga, In, Ge, Sn, Bi, Hg* (* liquide dans les conditions normales)Structure cristalline dans les conditions normales (20°C, 1 bar)

Métaux alcalins : Généralités

Les métaux alcalins englobent les éléments de la 1

ère

colonne principale du ta- bleau périodique. Ces éléments, très électropositifs, n'aparaissent jamais sous forme élémentaire (M) dans la nature, seulement sous forme ionique (M

Élément

chimique Configuration

électroniqueAbondance

terrestreMinéraux principaux DécouverteLi 2s 1 (2p 0 (1 électrons valentiel)1.8 · 10 -3 %LiAl(SiO 3 2 (spodumène)

LiAl(Si

2 O 5 2 (castor)J. A. Arfwedson, 1817
Na 3s 1 (3p 0 3d 0 (1 électron valentiel)2.27 %NaCl (sel gemme) NaNO 3 (caliche)

Na[AlSi

3 O 8 ] (albite)H. Davy, 1807 K 4s 1 (4p 0 4d 0 (1 électron valentiel)1.84 %KCl (sylvine) KMgCl 3

· 6 H

2

O (carnallite)H. Davy, 1807

Rb 5s 1 (5p 0 5d 0 (1 électron valentiel)7.8 · 10 -3 %composant minoritaire dans les minéraux de potassiumR. W. Bunsen et G.

R. Kirchhoff, 1860

Cs 6s 1 (6p 0 6d 0 (1 électron valentiel)2.6 · 10 -4 %CsAl(SiO 3 2

· ½ H

2

O (pollux)R. W. Bunsen et G.

R. Kirchhoff, 1860

Fr 7s 1 (7p 0 7d 0 (1 électron valentiel)7 · 10 -22 % - M. Perey, 1939

Les métaux alcalins : Corps simples

Les corps simples alcalins sont des métaux mous qui sont extrêmement réactifs.

Il faut les stocker sous atmosphère inerte (N

2 ou même Ar pour Li).

Métal P. F. [°C] E° [V]ȋLi

180.5 - 3.03 1.0

Na

97.8 - 2.71 1.0

K

63.2 - 2.92 0.9

Rb

39.0 - 2.93 0.9

Cs

28.5 - 2.93 0.9

MCl (l) M (l) + ½ Cl 2(g)

électrolyse

M = Li, Na, K, Rb, Cs

Elaboration des métaux alcalins par électrolyse des chlorures en fusion

Le lithium réagit même avec l'azote :

Réactivité des métaux alcalins envers l'eau (réaction la plus caractéristique) 2 Na (s) + O 2(g) M (s) + H 2 O (l) M +(aq) + OH -(aq) + ½ H 2(g) Na 2 O 2(s) 3 Li (s) + ½ N 2(g) Li 3 N (s)

M = Li, Na, K, Rb, Cs

Réactivité des métaux alcalins à l'air2 Li (s) + ½ O 2(g) Li 2 O (s) K (s) + O 2(g) KO 2(s) oxyde peroxyde superoxyde

Les métaux alcalins : Oxydes et hydroxydes

Les métaux alcalins élémentaires réagissent directement avec de l'eau pour don- ner les hydroxydes et avec l'oxygène pour donner les composés oxygénés. Li 2 O (s) + H 2 O (l) dissolution exemple : Li Relation entre oxydes et hydroxydesRéaction des métaux alcalins avec de l'eau 2 Na (s) + O 2(g) M (s) + H 2 O (l) MOH (aq) + ½ H 2(g) Na 2 O 2(s)

M = Li, Na, K, Rb, Cs

Réaction des métaux alcalins avec de l'oygène 2 Li (s) + ½ O 2(g) Li 2 O (s) K (s) + O 2(g) KO 2(s) oxyde peroxyde superoxyde O 2- O 2- O O O 2 Li +(aq) + 2 OH -(aq) 2 Li +(aq) + 2 OH -(aq) concentration

2 LiOH· 2 H

2 O (s) sous vide

2 LiOH

(s) 2 H 2 O (g)

Hydroxydes importants :

NaOHsoude caustiqueKOHpotasse caustique

Les métaux alcalins : Sels importants

Les sels des métaux alcalins sont des composés ioniques typiques qui sont pres- que tous bien solubles dans l'eaux (notamment les sels de sodium).

Relation diagonale lithium - magnésium

MOH (s) + HX (l) MX (aq) + H 2 O (l)

Prototype NaCl

(½) (½)(0)(0)

Prototype CsCl

Les chloruresLes chlorures des métaux alcalins

sont des composés ioniques. LiCl,

NaCl, KCl, RbCl cristallisent avec

la structure de NaCl, CsCl avec sa propre structure. A cause des rapports charge/rayon comparables des ions Li et Mg 2+ , les sels de lithium

ressemblent dans les propriétés plus à ceux demagnésium qu'à celles de leurs homologues.

Ainsi Li

2 CO 3 est peu soluble dans l'eau, contairement à Na 2 CO 3 et K 2 CO 3 Sels extraits ou produits à l'échelle industrielleNaCl(sel de table),KCl(sylvine),Na 2 CO 3

·10H

2

O(soude cristalline),Na

2 SO 4

·10H

2

O(sel de

Glauber),NaNO

3 (caliche),K 2 CO 3 (potasse),KNO 3 (salpètre),Li 2 CO 3 (carbonate de lithium)

Synthèse des sels alcalins

M 2 CO 3(s) + 2 HX (l) 2 MX (aq) + CO 2(g) + H 2 O (l) à partir des hydroxydes ou des carbonates alcalins avec de l'acide corresponant Les métaux alcalins : Procédé chlore-alcali Le procédé chlore-alcali permet de farbiquer à la fois les trois produits de base H 2 ,Cl 2 et NaOH de la production industrielle par électrolyse de saumure

NaCl/H

2 O, dont la capacité mondiale est estimée à 50 · 10 6 tonnes par an. cathode

Processus électrochimique global

La demi-réaction2H

+2e =H 2 sedérouleàlacathodeetlademi- réaction2Cl =Cl 2 +2e

àl'anode.

La membrane semiperméable per-

met le passage des cations Na raison pour laquelle NaOH s'enrichit dans la chambre cathodique.

2 NaCl

(aq) + 2 H 2 O (l) H 2(g) + Cl 2(g) + NaOH (aq) anode chambre cathodique

Les métaux alcalins : Procédé Solvay

Le procédé Solvay permet de farbiquer la soude Na 2 CO 3

à partir de NaCl et de

CaCO 3 . La production mondiale est estimée à 45 · 10 6 tonnes par an.

Réactions détaillées

2 NaCl + CaCO

3 Na 2 CO 3 + CaCl 2

1°Carbonatation de la solution ammonicale, 2°Filtration de NaHCO

3 peu soluble, 3°Calcination de NaHCOquotesdbs_dbs6.pdfusesText_11

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