PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES MÉTAUX

Cristallisation.

. On rencontre souvent dans la nature les métaux à l’état cristallisé ; ceux qui affectent le plus fréquemment cette forme sont l’or, l’argent et le cuivre.

La plupart cristallisent dans le système cubique ; de ce nombre sont l’or, l’argent, le platine, le palladium, le plomb, le mercure, le cuivre et le fer.

D’autres, tels que l’étain, le potassium et le gallium, se rapportent au type quadratique. Enfin, une troisième classe appartient au système rhomboédrique; elle comprend l’antimoine, le tellure, le zinc et le magnésium.

On obtient ces métaux à l’état cristallisé, dans les laboratoires, par un grand nombre de procédés :

1“ En laissant refroidir lentement le métal fondu et décantant la portion restée liquide, dès que la surface commence à se recouvrir d’une pellicule solide. On peut obtenir ainsi de magnifiques cristallisations de bismuth et d’antimoine.

2° Par sublimation : C’est le procédé qu’on emploie pour obtenir le zinc et le cadmium cristallisés. En chauffant au rouge blanc le magnésium dans une cornue de porcelaine où l’on avait fait le vide, M. Dumas a réussi à volatiliser partiellement le métal, qui est venu se condenseren stalactites cristallisées sur le col de la cornue.

3° On peut réaliser la cristallisation de certains métaux par l’action d’un courant électrique faible sur leur dissolution saline ; l’étain, le plomb, l’argent cristallisent très bien de cette façon : tout le monde connaît les arborescences désignées sous le nom d’arbre de Saturne, qu’on obtient en suspendant une lame de zinc garnie de fil de laiton dans une dissolution étendue d’acétate de plomb.

4“ Citons encore l’action lente de divers réducteurs sur les sels métalliques; tels sont le phosphore, l’acide phosphoreux, l’acide sulfureux. Certains formiates, chauffés longtemps en tubes scellés à 175 degrés en présence de l’eau, se transforment en métal à l’état cristallisé (Riban). Clément a constaté un phénomène remarquable de réduction d’une solution de sulfate de cuivre abandonnée dans une cuve de bois ; au bout de quelque temps les joints des douves s’étaient recouverts de mamelons de cuivre métallique cristallisé, possédant la malléabilité et la densité du métal fondu.

Couleur.

Les métaux offrent généralement une couleur grise ou d’un blanc grisâtre. L’argent et l’étain sont d’un blanc pur, l’or est jaune, le cuivre rouge.

Bénédict Prévost a montré que la coloration véritable des métaux n’est pas celle que nous avons coutume de leur attribuer. Quand un rayon de lumière blanche tombe à la surface d’un métal poli, une partie est réfléchie sans subir de décomposition. Le reste est décomposé en rayons absorbés et en rayons qui divergent dans toutes les directions et constituent la couleur propre du métal. Ce qui prouve qu’il en est ainsi, c’est que les rayons réfléchis sous une incidence rasante ne sont plus colorés ; ils ne contiennent que de la lumière blanche. Mais, si l’objet est très rapproché de la surface réfléchissante, il recevra la lumière colorée diffusée par la plaque, et son image, vue par réflexion sur cette lame, paraîtra teintée de la lumière propre de la surface métallique. C’est ainsi qu’un morceau d’or qu’on regarde par réflexion dans un miroir de même métal, paraît d’une teinte beaucoup plus foncée.

Une plaque de métal poli réfléchit donc de la lumière blanche et rayonne de la lumière colorée. Une seconde plaque, disposée de façon à recevoir ces deux sortes de rayons, réfléchira la lumière coloréeetdécomposera partiellement la lumière blanche en rayonnant une nouvelle quantité de lumière colorée ; celleci s’ajoutera à la première pour en accroître l’intensité. L’image de la première plaque donnée par la seconde paraîtra donc plus foncée. Cette image, se réfléchissant à son tour sur la première plaque, en donnera une seconde plus teintée qui, à son tour, donnera par réflexion une troisième image plus colorée encore, et ainsi de suite.

On peut obtenir ainsi, après dix ou douze réflexions successives sur deux plaques d’or polies, une image d’un rouge orangé très foncé. Le cuivre donne une image du dixième ordre d’un rouge écarlate, ne renfermant plus que 0,02 de lumière blanche. Après dix réflexions successives, le bronze paraît d’un rouge intense, et le laiton d’une couleur orangée.

L’argent sur argent donne une teinte jaunâtre de bronze contenant 0,9 de blanc. Le zinc est ^bleu indigo après dix réflexions, et l’acier présente une teinte violette.

C’est à la modification de la couleur des métaux, après une série de réflexions de la lumière incidente, qu’il faut attribuer la teinte foncée de l’intérieur des vases de métal poli.

La lumière qui traverse les métaux réduits aune assez faible épaisseur pour devenir transparents, est évidemment complémentaire de celle qu’ils émettent par réflexion. Aussi les feuilles d’or laissent-elles passer la lumière verte, complémentaire de la couleur rouge que présente la lumière, après dix réflexions successives sur une lame de ce métal.

Dureté.

Le tableau suivant donne une idée suffisante de la dureté des différents métaux :

Chrome. 1 II raye et coupe le verre.

Fer.

Nickôl •.... .. J

.( Sont rayés par le verre. Ils rayent le spath d’Islande

Antimoine'. ! ! ' ï. ! ! \ carbonate de chaux.

Zinc.

Palladium..

Platine. j

Cuivre. j

.I Sont rayés par le carbonate de chaux.

Bismuth.\

Cadmium.

Étain. I

Plomb.[ 11 est rayé par l’ongle.

5 Peuvent etre pétris entre les doigts.

Mercure.| Liquide à la température ordinaire.

Élasticité.

Wertheim a étudié, dans une série de mémoires, l’élasticité des métaux et des alliages. Ne pouvant reproduire ici les tableaux où il a consigné les résultats de ses expériences, on se contentera de rappeler les conclusions les plus importantes de ce grand travail.

1“ « Le coefficient d’élasticité n’est pas constant pour un même métal; toutes les circonstances qui augmentent la densité le font grandir et réciproquement.

2“ » Les vibrations longitudinales et transversales conduisent sensiblement au même coefficient d’élasticité.

3“ » Les vibrations conduisent à des coefficients d’élasticité plus grands que ceux qu’on obtient par rallongement.

4” » Il en résulte que le son dans les solides est dû aux ondes avec condensation et qu’on peut déduire de la formule de Duhamel le rapport des deux chaleurs spécifiques.

5° Le coefficient d’élasticité diminue régulièrement depuis 15 jusqu’à 200 degrés, suivant une progression plus rapide que celle qu’on déduirait de la dilatation. Les courbes qui représentent l’élasticité du fer et de l’acier, ont un point d’inflexion entre 100 et 200 degrés.

C° Tant que les charges ne sont pas voisines de celles qui amèneraient la

rupture, les densités, et par suite, les coefficients d’élasticité des métaux varient très peu.

7“ Il n’y a pas de véritable limite d’élasticité. L’allongement permanent varie selon la durée de la traction et la lenteur avec laquelle on augmente progressivement les charges.

8“ Le recuit diminue considérablement la résistance à la rupture.

9“ Les résultats de l’expérience sont généralement d’accord avec les conséquences de la formule de Poisson.

Malléabilité.

Quand on étudie la malléabilité des métaux, on doit distinguer leur aptitude à se réduire en feuilles sous le laminoir, de la facilité avec laquelle ils se laissent aplatir sous le marteau. Le tableau suivant représente l’ordre de la malléabilité des métaux; on les a divisés en deux classes correspondant: la P' à la façon dont ils se comportent sous le laminoir, la 2' à l’ordre suivant lequel ils s’aplatissent sous l’action du marteau :

Or.

Argent.

Aluminium.

Cuivre.

Étain.

Plomb.

Zinc.

Platine.

Fer.

Cobalt.

Nickel.

Palladium.

Plomb.

Étain.

Or.

Zinc.

Argent.

Aluminium.

Cuivre.

Fer.

Le bismuth, l’antimoine, le chôme, le manganèse, etc., sont cassants et peuvent se réduire en poudre par le choc du marteau.

Ductilité.

On désigne sous ce nom la facilité plus ou moins grande avec laquelle les métaux se laissent étirer eu fils. Les métaux les plus remarquables par leur ductilité sont l’or, l'argent et le platine.

Voici l’ordre dans lequel on peut ranger les métaux usuels ;

Or.

Argent.

Platine.

.Aluminium.

Fer.

Nickel.

Cuivre.

Palladium.

Zinc.

Étain.

Plomb.

On'remarquera que l’ordre de la ductilité ne correspond pas à celui de la malléabilité. Il paraît surprenant que le plomb, si facile à travailler au marteau, soit classé au rang des métaux les moins ductiles ; cette contradiction apparente s’explique par suite de son peu de ténacité, qui ne lui permet pas de résister à la traction qu’il subit au moment du passage à la filière.

Tous les métaux, après une série de passages sous le laminoir ou d’étirages par les trous successifs de la filière, deviennent cassants et rebelles à l’action mécanique qu’on leur fait subir; on dit alors qu’ils sont écrouis. On leur rend leur ténacité et leur ductilité première par le recuit.

Même pour les métaux qui occupent le premier rang pour la ténacité et la ductilité, il y a une limite à la ténuité des fils qu’on obtient par l’étirage à la filière. Cette limite est atteinte, dès que la section du fil a été réduite jusqu’au point de rendre sa résistance à la rupture inférieure à la traction qu’il subit sur le banc à tirer.

Wollaston a réussi à obtenir des fils d’une finesse extrême par un procédé très ingénieux : Dans un cylindre d’argent on perce une ouverture égale au 1/10 de son diamètre, et on y introduit un fil d’or qui le remplit exactement. Par une série de passages à la filière, on obtient un fil d’argent dônt l’âme est formée d’un fil d’or d’un diamètre dix fois moindre. Il suffit de plonger le fil dans l’acide nitrique pour le débarrasser de son enveloppe d’argent; il est alors d’une ténuité telle qu’il en faudrait 3000 mètres pour atteindre le poids d’un gramme. L’opération est encore plus facile avec le platine, dont l’infusibilité permet de couler l’argent autour d’un fil tendu dans l’axe d’un moule cylindrique. Par cette méthode, Wollaston a obtenu des fils de I/:200 de millimètre, invisibles à l’œil nu, et qu’on utilise pour la construction des réticules des lunettes astronomiques (1).

Ténacité.

La ténacité respective des divers métaux s’exprime par le nombre de kilogrammes nécessaires pour amener la rupture d’un fil de 1 millimètre carré de section. On a (2) :

Cobalt Nickel Fer. ..

Cuivre Platine Argent Or....

Zinc. .

Étain.

Plomb.

(1) Ann. dechim. et de phijs. (2). t. IV, p. 201.

(2) Debray, Cours de chimie, t. II, p. 7.

Le tableau suivant, emprunté z.\i Dictionnaire des arts et manufactures àe Laboulaye, indique le nombre de kilogrammes nécessaires pour amener la rupture d’une barre de 1 centimètre carré de section :

KiIograiJimcs.

Fer forgé ou étiré en barres. Fort, petits échantillons.... 6 000

Fer forgé ou étiré en barres. Faible, gros échantillons. 2 500

Fer. Tôle laminée tirée dans le sens du laminage. .•. 4 tOO

— Tôle laminée tirée dans le sens perpendiculaire. 3 600

— dit ruban, très doux. 4 500

— en fil à carder non recuit, de 0'""‘,23 de diamèlre. 9 000

— en fil non recuit de O^^.ô et 1 millimètre. 8 000

— en fil non recuit de t millimètre et 3 millimètres. 6 000

— en lil non recuit plus gros. 5 000

— en faisceau de fils (câble). 3 000

.-Vcier, en moyenne. 7 500

Fonte grise, en moyenne. 1 300

Bronze de canon, en moyenne. 2 300

Cuivre laminé tiré dans le sens du laminage. 2 tOO

Cuivre en fil non recuit de 1 à 2 millimètres de diamètre.. 5 000

Laiton de lil non recuit de plus de 1 millimètre de diamètre. 5 000

Platine recuit (diamètre mesuré directement). 3 400

Platine écroui en fil de 0'"'",t27 de diamètre. 11 600

Étain fondu. 300

Zinc fondu. 600

— laminé. 500

Plomb fondu. 128

— laminé. 135

M. Baudrimonl a conclu d’une série d’expériences sur la ténacité des métaux malléables, aux températures de zéro, 100 et 200 degrés :

1° Que la ténacité des métaux varie avec la température ;

2° Qu’elle décroît généralement, mais non sans exception, quand la température s’élève;

3“ Que, pour l’argent, elle diminue plus rapidement que la température ;

4“ Que, pour le cuivre, l’or, le platine et le palladium, elle décroît moins vite que la température ;

5° Que le fer présente à 100 degrés une ténacité plus faible, et à 200 degrés une ténacité plus grande qu’à zéro.

Densité.

La densité des métaux varie entre des limites très écartées; les métaux alcalins sont plus légers que l’eau, tandis que les métaux précieux ont une densité considérable, s’élevant pour l’or à 19,3 et pour le platine à 21,5.

La plupart d’entre eux, sous l’action du laminage ou du martelage, éprouvent un accroissement notable de densité; ainsi l’or fondu, qui a pour densité 19,25, peut acquérir par le martelage une densité de 19,36; le platine se comporte de la même façon. Le cuivre présente des dilîéreiices considérables de densi

6i ENCYCLOPÉDIE CHIMIQUE.

suivant la provenance des échantillons. D’après Marchand et Scheerer, son poids spécifique peut varier de 7,720 à 8,921. Coulé à très haute température, il peut, d’après M. Riche, atteindre une densité de 8,939; ce phénomène est dû à la porosité du cuivre, résultant de la réduction par le charbon de la petite quantité d’oxyde que retient toujours le métal fondu. Cette perméabilité peut être mise en évidence en immergeant le métal recuit dans de l’eau ou de la benzine; dans ces conditions, le cuivre absorbe une quantité de liquide suffisante pour qu’on puisse constater une augmentation de poids sensible. Le métal reprend son poids primitif quand on l’expose à l’air; le laminage suffit d’ailleurs à faire disparaître cette porosité (Riche).

Le tableau suivant fera connaître la densité des métaux usuels :

Platine....

Or.

fortement écroui, fondu.

écroui.

Mercure...

Palladium .

Plomb.

Argent. ...

Cuivre fondu.

Cadmium....

Fer.

Étain.

Zinc fondu..

Aluminium..

Sodium.

Potassium . .

Lithium. ...

1 solide à — 42" / liquide à 0°...

Fusibilité.

Tous les métaux sont fusibles, à l’exception de l’osmium,'qui se volatilise sans fondre à la façon de l’arsenic. Le mercure est liquide à la température ordinaire; le gallium fond à la chaleur de la main ; ce dernier métal placé dans un tube scellé à la lampe peut conserver l’état liquide pendant les froids de l’hiver ; celle surfusion ne cesse qu’au contact d’une trace de gallium solide.

Métaux.

dTfusiÔlr"

Mercure..

Gallium. .

Potassium.

Sodium. ., Étain ....

lîismiith..

Plomb. ..

degrés.

Cadmium.

Antimoine.

Aluminium. vers

Argent.

Cuivre..

Or.

Fonte.

Fer forgé.

Nickel.

Cobalt.

Platine.

Iridium.

Person a supposé que le travail correspondant à la séparation des molécules, pendant le passage de l’état solide à l’état liquide, devait être dans une relation simple avec le travail qui correspond à un écartement limité, c’est-à-dire avec le coefficient d’élasticité.

Partant de celte idée, il a été conduit à comparer les chaleurs latentes de fusion aux coefficients d’élasticité déterminés par Wertheim. Il a reconnu qu’en représentant par q et q' les coefficients d’élasticité de deux métaux et par l et l' leurs chaleurs latentes de fusion, on a, approximativement :

En d’autres termes, « les chaleurs latentes de fusion sont à très peu près proportionnelles aux coefficients d’élasticité ». La proportionnalité n’est pas rigoureuse, parce que les coefficients d’élasticité sont définis par les poids nécessaires pour doubler la longueur d’une tige de 1 millimètre de section. La densité des métaux étant très variable, les poids des diverses tiges de dimensions linéaires égales diffèrent, tandis que les chaleurs latentes sont rapportées à des poids égaux. Enfin, la chaleur latente de fusion représente le travail nécessaire pour détruire la cohésion, travail qui est une fonction du coefficient d’élasticité.

Person établit la formule suivante dans laquelle S et S' représentent les allongements limités de l’unité de longueur des tiges métalliques ; p et p’ étant leurs poids spécifiques :

Or, d’après la relation approchée indiquée plus haut, on voit que diffère

peu de^-^ et, en admettant que ^ ^ ^ “p'+Vp'’

ENCYCtOP. CHIM.

Person est arrivé à

l’impression suivante, qu’il a vérifiée par de nombreuses déterminations expérimentales ;

D’une manière générale, on peut calculer la chaleur latente de fusion d’un métal ou d’un alliage dont on connaît le coefficient d’élasticité q et la densité S par la formule :

Volatilité.

Tous les métaux sont volatils. Il résulte, en effet, des expériences de M. Deville, que l’un des plus réfractaires, le platine, se volatilise d’une manière sensible, quand on le fond dans une coupelle de chaux à l’aide du chalumeau oxydrique. Certains métaux, tels que le mercure, le sodium et le zinc, distillent à une température assez basse pour qu’on ait pu mesurer assez exactement leur température d’ébullition :

Dogrcs;

Le mercure bout à. 360

Le cadmium à. 860

Le zinc et le magnésium, vers... 1040

Le potassium et le sodium, au rouge.

D’autres métaux entrent en ébullition aune température très élevée, mais ils sont déjà volatils au rouge vif; aussi subissent-ils une perte notable quand on les soumet au traitement métallurgique (étain, plomb, argent).

M. Demarçay, en chauffant divers métaux dans un tube de cristal où il faisait le vide, a observé la formation d’une couche métallique sur un petit tube refroidi, maintenu à une distance du 0“,02 du corps soumis à l’expérience. Il a constaté ainsi que la volatilité existe déjà pour le cadmium à 160 degrés, le zinc à 184 degrés, l’antimoine et le bismuth à 292 degrés, le plomb et l’étain à 360 degrés. Ces dépôts sont assez considérables pour qu’au bout d’une vingtaine d’heures, le poids du tube intérieur, sur lequel se condense le métal volatilisé, s’accroisse de 5 à 15 milligrammes.

Raies spectrales.

Chauffés à une température élevée, les métaux donnent un spectre continu. Soumis à l’action de l’étincelle, ou de toute autre source de chaleur

capable de les volatiliser, ils donnent un spectre discontinu dans lequel on distingue des raies brillantes, caractéristiques de chaque métal. Kirchotf, Huggins, Angstrôm, ont décrit avec soin les spectres métalliques, et Thalen a déterminé avec une grande précision les longueurs d’onde des raies brillantes des différents métaux.

Les expériences de Mitscherlich et de Diacon ont montré que les diverses combinaisons binaires d’un métal n’ont pas un spectre identique. Si l’on compare entre eux les spectres formés par le chlorure, le bromure, l’iodure et l’oxyde d’un même métal, portés dans la flamme d’une lampe Bunsen, on voit apparaître des raies brillantes dont la position varie pour chacun des sels soumis à l’examen.

Mitscherlich, en comparant les principales lignes des chlorures, bromures et iodures alcalino-terreux, a remarqué que les distances entre ces lignes sont en raison inverse du poids moléculaire du composé haloïde.

D’après M. Lecoq de Boisbaudran, l’accroissement de longueur d’onde des composés correspondants des métaux d’un même groupe, varie en raison directe du poids moléculaire. Si l’on compare entre eux les spectres des sels analogues de deux métaux alcalins ou alcalino-terreux, on voit qu’on peut passer d’un spectre à. l’autre, en multipliant les longueurs d’onde des raies de l’un de ces métaux par un coefficient qui croît régulièrement avec la réfrangibilité. Le tableau suivant, dû à M. Lecoq de Boisbaudran, donne un exemple frappant de ce rapport pour les chlorures de calcium et de strontium (1) :

^ Spoctro du cWoruro ^ ^ Spectre du chlorurc^

d’acide chlorhydrique d’acide chlorhydrique

do millimètre. de millimètre.

Milieu de deux raies rouges rappro- / \ Milieu d’une bande

cliées.I 633,2 X 1,063 = 637,0 / rouge nébuleuse.

Diff. : ii,il ( 14,4

Milieu d’une raie orangée.V 619,1 X 1,065 = 659,6 / » »

Diff. : 13,0 ( ^13,3

Milieu d’une raie orangée.( 006,1 X 1,066 = 646,3 ) » »

Diff. : 12,6 ( 111,3

Milieu d’une raie nébuleuse jaune.... < 593,5 X 1,070 = 635,0 | Milieu d’une raie ( ) rouge orangé.

Diff. : 11,6. 111,9

Milieu d’une raie jaune verdâtre. . 581,9 X 1,071 = 623,1 V Milieu d’une raie

( ) orangée.

On découvre des rapports analogues entre les spectres des chlorures de p )lassium et de rubidium.

(1) Dictionnaire de chimie de Wurlz, t. II, p. -35

KNCYCLOPÉDIE CHIMIQUE.

Magnétisme.

Les recherches de Faraday ont montré que les métaux peuvent se diviser en deux classes par rapport à leurs propriétés magnétiques. Dans la liste suivante on a placé en regard de chaque métal le nombre qui exprime son volume atomique :