CHAPITRE V. — PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES DES MÉTAUX

Proprlélé« générales 4e« métaux en evx-mênies.

Cristallisation. — Quand on coule certains métaux fondus, plomb, ëtain, zinc, cadmium, bismuth, sur une plaque de verre inclinée de manière qu'ils se refroidissent et se solidifient brusquement en lames de faible épaisseur, la surface libre examinée sous un grossissement d'environ 200 diamètres, qui se montre franchement cristalline dans le bismuth est, dans les autres, couverte d'un réseau continu de cellules délimitées par des contours polygonaux en creux. La forme de ces cellules est variable sur la surface d'une même coulée ; en certaines parties hexagonales et régulières, elles sont en d'autres pentagonales, quadrangulaires, triangulaires, ou bien elles semblent étirées dans certaines directions ; fréquemment aussi, on peut les voir, à partir de certains centres, sorganiser en cristallites d'autant plus nombreux et développés que le métal a été coulé en lame plus épaisse. On rencontre quelquefois de longs chapelets de cellules qui partent en divergeant d'un point ou d'un axe et qui dessinent des figures ressemblant à des spectres tourbillonnaires. Ces cristallites se montrent toujours constitués par la soudure de cellules tantôt peu différentes de celles qui forment le tissu qui les entoure, tantôt au contraire allongées en longs articles et finement dentelées. L'ordre de grandeur de ces cellules, leurs irrégularités de forme et de distribution, rap-

LB8 MÉTAUX CONSIDArÉS EN EUX-MÊMES 155

pellent les cellules des tissus organisés et l'analogie se poursuit même, en apparence, jusque dans leur mode de développement. De même que d'après les expériences de MM. Osmond et Cartaud, la surface polie d'une plaque d'acier recuite à température élevée enregistre avec fidélité les changements de structure survenus dans le cours du chauffage et des refroidissements subséquents, de même la surface libre d'un métal fondu, brusquement refroidi, doit pouvoir enregistrer tous les stades d'organisation résultant du passage de la structure liquide à la structure grenue et cristalline qu'on lui connaît à l'état solide. A côté du réseau cellulaire dont on vient de parler, on peut en observer un autre à mailles beaucoup plus larges, fourni par les joints des cristaux limités les uns par les autres dans leur développement. D'autre part, malgré leur désordre apparent, les cellules sont groupées en plages dans l'intérieur desquelles elles ont toutes des caractères communs de ressemblance et ces plages sont précisément délimitées par les contours des grains cristallins. Il y a ainsi une liaison évidente entre la structure cristalline, représentée par les grains, et la structure amorphe représentée par les cellules. Un examen attentif montre que le réseau cristallin coupe fréquemment les cellules, de sorte que les deux portions d'une même cellule peuvent appartenir à deux grains différents : l'indépendance des deux réseaux n'est donc pas absolue.

La structure cellulaire semble donc être la structure nor maie des corps amorphes. M. Bénard l'a mise en évidence dans les liquides, M. Cartaud l'a observée dans la gélatirft traitée par l'alcool absolu et dans le verre attaqué par l'acide fluorhydrique ou dépoli par la flamme du chalumeau à gaz. On vient de voir que dans les corps cristallisés elle Fe combine et peut même se superposer à la structure cristalline dans les métaux précédemment examinés. L'attaque de gros cristaux de fer par l'acide azotique met en évidence des cellules sur les faces du cube.

Indépendamment de leur existence possible dans la forme cellulaire ou amorphe, les métaux sont connus en grand nombre sous la forme de cristaux et il est vraisemblable que

tous sont susceptibles de cristalliser. On en rencontre dans la nature et, parmi les métaux natifs l'or, l'argent, le cuivre se trouvent assez fréquemment sous la forme de pépites qui ne sont autre chose que des cristaux dont les angles ont été plus ou moins arrondis, les arêtes plus ou moins émoussées. Ils paraissent appartenir en majeure partie au système régulier ou au système rhomboédrique : l'or, l'argent, le cuivre, le plomb, le fer, le platine, le palladium, l'osmium, le titane, le mercure, peuvent cristalliser en cubes ou en formes qui en dérivent (octaèdre, cubo-octaèdre, dodécaèdre rhomboldal...), le magnésium, le zinc, l'arsenic, l'antimoine, le bismuth, le chrome sont en rhomboèdres plus ou moins aigus (71 à 72" pour le zinc; 80*^,3', pour le magnésium ; 85*»,41 ' pour l'arsenic ; 87^,33' pour l'antimoine; 87^,40, pour le bismuth). Quelquesuns cependant ont des formes qui se rattachent à d'autres systèmes : l'étain dérive d'un prisme quadratique, le zirconium d'un prisme clinorhombique.

Les métaux peuvent être obtenus en cristaux par plusieurs des méthodes générales ordinairement employées pour faire cristalliser les corps :

Par fusion suivie d'un refroidissement lent et d'une décantation de la matière demeurée liquide; on obtient par exemple ainsi, le bismuth, le plomb, l'antimoine, l'étain, l'argent.

Par dissolution : quelques métaux peuvent se dissoudre à chaud dans un autre métal et s'en séparer par refroidissement sous la forme de cristaux ; un dissolvant approprié enlève le métal auxiliaire, et laisse les cristaux inaltérés. Ainsi, l'osmium et l'iridium se dissolvent dans l'étain fondu, et si, après refroidissement, on traite le culot d'étain par de l'acide chlorhydrique, il s'y dissout et laisse une poudre cristalline très dure formée de cristaux d'osmium ou d'iridium purs; le ruthénium traité de la même façon ne donne qu'un alliage, mais celui-ci chauffé dans un courant de gaz acide chlorhydrique perd son étain à l'état de protochlorure et laisse du ruthénium cristallisé ; le chrome se dissout dans le zinc en fusion et le culot traité par de l'acide azotique étendu, laisse le métal sous la forme de petits rhomboèdres très aigus groupés en feuilles de sapin.

LES MÉTAUX CONSIDÉRéS EN EUX-MÊMES 157

Par mhlimation : le magnésium, par exemple, chauffé au rouge blanc dans une cornue de porcelaine où Ton a fait le vide, se dépose en petits rhomboèdres très brillants sur le col etsur les parties froides de l'appareil. Il ne faut pas confondre avec des cristaux, certains solides d'apparence géométrique qui se forment parfois dans ces conditions ; ainsi quand On distille du zinc, la vapeur qui se produit dans la cornue se condense quelquefois en gouttelettes qui, après refroidissement, présentent des faces pentagonales ; mais les angles de ces solides ne sont pas constants, leurs faces ne sont pas planes, ce ne sont pas des cristaux, mais simplement des gouttes de métal qui se sont contractées en se refroidissant :

Par voie A'électrolyse : Quand on fait passer un courant de faible intensité dans une dissolution métallique, le métal qui se dépose au pôle négatif est quelquefois sous la forme de cristaux bien nets ; tel est le cas de Tétain qui se sépare d'une solution acide de protochlonire en longues aiguilles très brillantes ; du plomb qui se dépose d'une dissolution étendue d'acétate de plomb en paillettes cristallisées ; de l'argent, etc. ;

Par voie de précipitation : Quand on introduit une lame métallique dans une solution d'un autre métal, ce dernier se précipite lorsque la substitution du premier au second est exothermique, et il arrive fréquemment qu'on obtienne alors des cristaux du métal séparé; l'argent se dépose ainsi cristallisé sur une lame de cuivre qu'on plonge dans une solution d'azotate d'argent; l'or sur une lame de zinc immergée dans une liqueur à 50 pour cent environ de chlorure d'or; l'antimoine forme un feutrage de fines aiguilles sur un barreau d'ëtain introduit dans une solution chlorhydrique de tricblorure ; le thallium donne des aiguilles brillantes quand on décompose une solution de son sulfate par une lame de zinc. La dimension des cristaux dépend d'ailleurs essentiellement pour un métal donné, de la nature du sel employé, de la concentration de la liqueur, et de sa température.

Une solution très concentrée donne le plus souvent une sorte d'épongé métallique formée de petits cristaux enchevêtrés les uns dans les autres, que produit par exemple une

158 INTRODUCTION A L*éTUDE DES MÂTAUX

lame de zinc dans une solution concentrée d'un sel de plomb. Quand la liqueur est moyennement étendue elle donne souvent les plus beaux cristaux : une solution à 20 pour cent d'acétate de thallium recouvre le zinc d'une forêt de branches métalliques épineuses ; une solution de protochlorure d'étain produit sur le zinc, une sorte de végétation d'octaèdres allongés ou de larges feuilles minces et brillantes. Quand on immerge une lame de cuivre dans une solution d'argent, les apparences du dépôt d'argent sont absolument différentes selon que la liqueur est plus ou moins concentrée ; une dissolution à 1 Vo dépose sur la lame des végétations noires à peine cristallines dont la couleur blanchit peu à peu à mesure que l'épaisseur du dépôt augmente ; une liqueur plus concentrée donne des aiguilles qui se disposent en feuilles de fougère ; dans une solution à 15 Vo> on a des cristaux blancs, brillants, dont l'aspect est très variable, et c'est peut-être à une origine semblable qu'il faut attribuer la formation de l'argent en touffes, parfois en larges cristaux, qu'on trouve dans le cuivre natif du Lac Supérieur.

Couleur. — Les métaux sont, pour la plupart, blancs ou gris plus ou moins foncé, et B. Prévost avait remarqué autrefois qu'ils prennent des teintes fort vives quand on fait réfléchir plusieurs fois la lumière entre deux lames polies parallèles. Quand un rayon de lumière blanche tombe sur une surface métallique miroitante, une partie de cette lumière est réfléchie, l'autre est décomposée en rayons absorbés et en rayons qui se diffusent dans tous les sens, de sorte qu'une plaque polie réfléchit de la lumière blanche et rayonne de la lumière colorée ; une seconde surface identique à la première, recevant les deux sortes de rayons, réfléchira la lumière colorée et décomposera partiellement les rayons blancs en donnant une nouvelle quantité de lumière colorée, qui, s'ajoutant à la première.en augmentera l'intensité^de sorte que des réflexions successives donneront de la lumière de plus en plus teintée. Après 10 ou 12 réflexions successives sur des plaques polies, l'or est rouge orangé foncé ; le cuivre rouge écarlate ; le zinc bleu indigo; l'argent jaune d'or, etc., colorations bien différentes de celles qu'on aperçoit sur un lingot de métal à surface

LES MÉTAUX CONSIDÉRÉS EN KUX-MÉMBS 159

peu polie et ne réfléchissant que peu ou point de lumière. On peut du reste calculer les conditions de la réflexion sur des surfaces métalliques à la condition de connaître deux constaates : d'une part l'angle de polarisation, d'autre part l'angle qui a pour tangente le rapport des racines carrées des proportions de lumière réfléchie quand elle est polarisée dans le plan d'incidence et dans le plan perpendiculaire, la lumière incidente tombant sous l'angle de polarisation.

Au moyen de ces constantes et du cercle chromatique de Newton, Jamin a pu calculer la teinte du faisceau réfléchi à la surface du métal, c'est-à-dire la couleur de ce métal, et ses résultats ont été entièrement conformes à l'expérience, de sorte que les couleurs des métaux s'expliquent par les lois mêmes des rayons réfléchis.

Quand le métal n'est pas poli, la couleur dépend absolument de l'état de sa surface et de la manière dont elle agit sur les rayons de lumière blanche ; l'argent en poudre est gris terne, l'or précipité et très divisé est une poudre violet foncé et ils reprennent leur couleur ordinaire avec l'éclat métallique sous l'action du brunissoir. Enfin les métaux en lames minces peuvent laisser passer une lumière colorée dont la teinte est complémentaire de celle qu'ils émettent par réflexion ; c'est ainsi que l'or, rouge orangé foncé quand la lumière s'est réfléchie plusieurs fois k sa surface, est jaune quand il est en lingot, devient violet plus ou moins foncé quand il est en poudre fine, et vert quand on le regarde par transparence.

Odeur. — Quelques métaux possèdent une odeur qui leur est propre; tel est le cas du cuivre et de l'étain qui, lorsqu'on les frotte avec la main, développent une odeur désagréable et caractéristique.

Fusibilité. — Tous les métaux peuvent être fondus en élevant suffisamment leur température ; tant qu'on n'a pu disposer que du chalumeau à oxygène et à hydrogène comme source de chaleur la plus intense, certains d'entre eux étaient regardés comme presque infusibles, mais l'emploidu four élec. trique a permis à M. Moissan d'amener à l'état liquide ceux qui étaient les plus réfractaires. Quand la température de

INTRODUCTION A L'AtUDE DES MÉTAUX

fusion est très élevée, sa détermination présente des difficultés et l'on ne connaît pas celle des métaux les moins fusibles ; pour les autres elle a été mesurée avec précision et elle est donnée par les nombres ci-dessous :

Mercure .

Gallium .

Potassium .

Sodium. .

Etain . .

Bisnmth .

Plomb . .

Cadmium .

Zinc. . .

Antimoine .

Magnésium

Aluminium

Argent . .

Or. . .

Cuivre . .

Palladium .

Fer . . .

1 vers .

Nickel . .

Cobalt . .

/ vers .

Platine . .

Iridium

le ebrôme est plus difficile à liquéfier que le platine ; le molybdène, le tungstène, Turanium, le vanadium sont plus réfractaires que le chrome.

La sur fusion des métaux a été observée d'abord parJamin et Danguin qui considéraient l'étain comme le seul métal capable de rester liquide jusqu'à 2s5 au dessous de son point normal de fusion ; Van Riemsdyk étudia celle de Tor en 1880 : il fit voir que dans les essais d'or par voie sèche, quand on retire la coupelle du moufle en évitant d'imprimer à la masse liquide le moindre choc ou mouvement brusque, et que le refroidissement se fait d'une manière régulière et continue.

LES MÉTAUX CONSIDKHÉS EN RUX-Mh^MES ICI

le métal chauffé aa dessus de son point de fusion et lumineux au moment où on l'a sorti du moufle, se refroidit sensiblement au dessous de sa température de fusion, sans se solidifier; au dessous du rouge il devient obscur et fait soudainement l'éclair, il se solidifie ensuite peu à peu en perdant sa chaleur de fusion. Il y a bien ici surfusion, car lorsque le bouton d'or coupelle, toujours à l'état liquide, est refroidi au dessous de son point de solidification, si on le touche légèrement avec l'extrémité d'un fll fin d'or pur, on voit instantanément ïéclair se produire, et le métal se solidifier suivant les lois ordinaires.

En 1891 Roberts Austen entreprit de nouvelles recherches sur ce sujet en faisant des mesures de température à l'aide d'un pyromètre particulier formé d'un galvanomètre relié aux deux fils d'une thermo-jonction constituée par deux fils entrelacés et recouverts d'une mince couche d'argile; on la place dans le métal qui se refroidit et la courbe de refroidissement est donnée par une tache lumineuse qui se réfléchit sur le miroir du galvanomètre et tombe, de là, sur une plaque sensible ; il a constaté que le refroidissement d'un métal est toujours représenté par une des deux courbes ci-contre. La fig. 24 montre le refroidissement d'un métal Fig^'àl.

pur ; la partie horizontale a b indique

la solidification de la masse totale, les angles a et b sont d'autant plus aigus que le métal est plus pur ; le second type de courbe (fig. 25) indique l'exislence de la surfusion par son rebrous- | sèment a; cette figure se rapporte à | l'or. En rendant le galvanomètre plus ^ sensible et en empêchant le miroir d'osciller sur une trop grande longueur, la plaque photographique n'étant découverte qu'au moment de la surfusion, on obtient une courbe plus accentuée que celle de la fig. 25; avec Tor la température peut s'abaisser de 2" au dessous du point vra\ de solidification.

Volatilité. — La réduction des métaux en vapeurs se fait comme leur fusion, entre des limites entrêmement étendues de température : le mercure bout à 357 degrés; le cadmium à 778^ ; le zinc à 920° et le magnésium vers 1000'' ; pour un certain nombre d'autres la température d'ébullition n'a pas été mesurée, mais ils se volatilisent sensiblement au rouge vif ; tels sont le plomb, Tétain, le manganèse; ce dernier se vaporise à une température peu supérieure à son point de fusion et se sublime en partie à celle d'un fourneau à gaz ; à la haute chaleur du four électrique M. Moissan a pu obtenir des vapeurs abondantes, même avec les métaux regardés comme les plus fixes, et les recueillir. Pour cela faire il emploie un tube de cuivre en forme d U de 15 millimètres environ de diamètre et traversé, comme le tube chaud et froid de H. Deville, par un courant d'eau froide sous une pression d'une dizaine d'atmosphères; la courbure de l'U est introduite dans le four, à 2 centimètres de l'arc et au-dessus du creuset qui renferme la matière à volatiliser, enfin une feuille de carton d'amiante, placée près de l'ouverture du four et laissant passage au tube de cuivre, sert à condenser les vapeurs métalliques qui sortent en abondance de l'appareil; il s'en dépose également sur le tube en U qui reste froid quand le four est en pleine activité, l'eau qui le traverse constamment ne s'échauflant que de 3 à 4 degrés.

Dans cet appareil, avec un arc fourni par un courant de 350 ampères sous 70 volts, Vargent bout et distille avec facilité en donnant des globules fondus, une poussière grise amorphe et des fragments arborescents ; le manganèse dégage des fumées si abondantes qu'en 10 minutes un culot de 400 grammes se réduit à quelques grammes. Si le creuset contient du cuivre on voit, au bout d'une ou deux minutes, des flammes éclatantes de 4 à 5 centimètres de longueur jaillir par les ouvertures qui laissent passage aux électrodes, elles sont surmontées de torrents de fumées jaunes, d'oxyde de cuivre provenant de la combustion de la vapeur métallique et, tout autour du creuset, entre le couvercle elle four, on trouve une large auréole de globules de cuivre qui sont dus à la condensation de la vapeur; il s'en dépose abondamment aussi

LES MÉTAUX CONSIDÉRÉS SN ËUX-MÉMBS 163

sur le tube froid, où il est mélangé à la vapeur d'oxyde, et il suffit de 5 minutes pour volatiliser une trentaine de grammes de métal.

Ualuminium dépose en quelques minutes sur le tube froid une poudre grise formée de spbérules métalliques qui se trouvent aussi dans les vapeurs sortant du four et recueillies sur le carton d'amiante, mais là elles sont recouvertes d'alumine provenant de la combustion de la vapeur ; avec Vétain, le tube froid est revêtu au bout de 7 ou 8 minutes, de petits globules brillants et d'une substance grise fibreuse formant feutrage et à cet étain métallique un peu d'oxyde est mélangé; le fer dans les mêmes circonstances donne une poudre grise présentant quelques surfaces minces et malléables ; cette poussière, qui ressemble à du fer réduit par Thydrogène, devient brillante sous le brunissoir.

Sous l'action du feu électrique l'or se volatilise et recouvre le tube froid d'une poudre foncée à reflets pourpres, qui, au microscope, se résout en petites sphères, brillantes et jaunes ; il se dégage d'abondantes fumées jaune- verdâtre qui, après condensation sur le carton d'amiante, montrent au microscope de nombreux globules d'or. Le platine se volatilise en donnant des petits globules brillants et de la poussière grise sur les parties les moins chaudes des électrodes. Avec Vuranium lui-même, on trouve sur le tube en U une quantité de petites sphères métalliques, et sur le carton d'amiante les mêmes sphères mais recouvertes d'une croûte jaune d'oxyde d'uranium.

Il est enfin quelques métaux qui se volatilisent directement sans passer par l'état de fusion ; tel est le cas de ïosinium.

Conductibilité. — La conductibilité d'un métal pour la chaleur dépend essentiellement de sa nature ; les quelques nombres suivants, déterminés par MM. Wiedemann et Franz, expriment des conductibilités relatives, celle de Targent étant arbitrairement prise comme égale à 100 :

Argent .

Cuivre .

Or. . .

Zinc . .

Etain Fer . .

Plomb .

Platine .

Palladium Bismuth

La conductibilité des métaux pour la chaleur est fonction delà température, ses variations, tantôt positives, tantôt négatives, suivant la nature du métal sont dans tous les castres faibles.

La conductibilitéélectrique dépend, comme la conductibilité calorifique, de la nature du métal; les nombres qui suivent indiquent les conductibilités relatives déduites des expériences de MM. Riess, Ed. Becquerel et Lenz :

HiESS

Becqukriji.

Lkkz

Argent . . .

Cuivre . . .

Or . .

Zinc. .

Etain . . .

Fer ... .

Plomb . . .

Platine . . .

Bismuth

la conductibilité électrique de l'argent étant arbitrairement prise égale à 100.

La conductibilité électrique des métaux diminue quand leur température s'élève, et d'après Matthiesen la loi de cette diminution peut être exprimée, quand l'intervalle de température est un peu considérable, par la formule :

k, =-ko(l —ki^ k'fi)

LES MÉTAUX CONSIDÉnÉS BN EUX MÊMES 165

les coefficients k et k' étant sensiblement les mêmes pour un grand nombre de métaux purs (argent, cuivre, or, zinc, étain, plomb, antimoine, bismutb), de sorte qu'au moins entre zéro et 100 degrés, la formule deviendrait :

k, = ko ( 1 — 0,0037674 t 4- 0,00000834 /' )

Le mercure liquide présente une résistance qui varie beaucoup moins avec la température que celle des métaux solides ; la variation de sa résistance apparente, dans des tubes de verre, est représentée par :

n = ro (1 + 0,0008649 / + 0,0000112 1')

et elle continue à décroître d'après cette formule jusqu'au point de solidification du métal ; elle diminue alors brusquement pour tomber au tiers de sa valeur et continue ensuite à diminuer régulièrement jusqu'à — 100°.

L'accroissement brusque de résistance que le mercure solide présente, en fondant, appartient à tous les niétaux qui se dilatent en se liquéfiant (étain, plomb, zinc, cadmium, sodium), ceux qui se contractent (bismuth, antimoine) présentent le phénomène inverse ; de la Rive a trouvé les résultats ci-dessous dans lesquels on a pris comme unité la conductibilité du mercure liquide à 21^

CONbUCTIRILITÊ AU POINT DE FU8I0N A L*ÉTAT liquide solide

Etain 4,4 2,0

Bismuth 0,43 0 73

Zinc 5,2 2,6

Plomb 1,9 1,0

Cadmium 5,0 2,8

Antimoine 0,59 0,84

Lorsque les métaux passent par l'état pâteux la variation de conductibilité qui accompagne la fusion se produit progressivement, comme Matthiesen la observé sur le potassium entre 47" et 57<>.

En comparant les nombres des tableaux A et B, Wiede-

mann et Franz constatèrent que les conductibilités pour la chaleur et pour Télectricité présentent une proportionnalité approximative ; mais les conductibilités électriques offrent des variations tellement grandes d'un échantillon à un autre du même corps, suivant l'état physique de ce métal ou par suite des moindres traces d'impuretés, qu'on ne saurait établir de comparaison qu'entre des mesures faites sur les mêmes échantillons. Il faut tenir compte aussi des causes d'erreur inhérentes à ces déterminations et qui sont telles que des physiciens aussi habiles que MM. Weber, Kirchhoff et Haasemann, Lorenz sont arrivés chacun de leur côté à des résultats tout à fait discordants, si bien que la proportionnalité des deux conductibilités calorifique et électrique n'est en aucune façon démontrée.

Chaleur spécifique. ^— Soit Q la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer un poids P d'un métal d'une température t à une autre température V ; on appelle chaleur spécifique moyenne du métal entre t et /' la quantité :

c est une fonction de t ett\

Dulong et Petit ont établi les premiers que la chaleur spécifique moyenne d'un métal augmente en général quand /' s'accrott. Si Q est la quantité qu'absorbe 1 gramme de métal pour s'élever de zéro à t^, Q est une fonction de t qui s'annule pour f = 0 et qu'on peut représenter par la formule :

Q = a/ 4- 6 t^+cfi+...

a, by c, étant des coefficients calculés de manière que la formule représente aussi exactement que possible des résultats de l'expérience ; Q etQ' étant les quantités de chaleur absorbées par le métal pour s'élever d'abord de 0<» à f<>, ensuite de 0° à V, la quantité nécessaire pour faire passer un gramme de métal û^tkV degrés sera Q' — Q et la chaleur spécifique moyenne se trouvera représentée par le rapport

Si /' se rapproche indéfiniment de /, Q' se rapproche également de 0 et le rapport tend vers une limite -r-^. Cette limite

Ut o

est la chaleur spécifique vraie à /*» ; elle exprime la quantité de chaleur que l'unité de poids de métal absorbe pour passer de ( à / + 1<>. /

La variation de la chaleur spécifique des métaux avec la température a été étudiée d'abord par Dulong et Petit, qui ont trouvé pour les chaleurs spéciûques moyennes :

Entre 0 et 100« Entre 0 et 300"

Mercure 0,0330 0,0350

Antimoine 0,0570 . 0,0549

Argent 0,0557 0.0615

Zinc 0,0927 0,0015

Cuivre 0,0939 0,1013

Fer 0,1088 0,1218

Plomb (de- 77 à + 10) . 0,0306 (de 4- 10 à + 100) 0,0313

M. VioUe a examiné les chaleurs spécifiques de quelques métaux de la famille du platine jusqu'à des températures très hautes et il a trouvé pour leur chaleur spécifique vraie :

Platine, de 0 à 1200^ . . . 4-^ = 0,0317 + 0,000012 t

Iridium, de 0 à 1400\ . . = 0,0317 + 0, 00012 l

Palladium, de 0 à 1300o . ; = 0,0582 + 0,000020 t

La chaleur spécifique moyenne de l'or qui, jusqu'à 600°, est sensiblement fixe et égale à 0,0324, atteint 0,0345 à 900' et0,0352àl020<>.

Pour examiner Tinfluence de températures très basses, Trowbridge a fait usage d'oxygène liquide qui bout à . — 181^,4; le procédé qu'il a employé est la méthode ordinaire des mélanges avec quelques précautions spéciales, elle lui a donné :

Ch. sp. entre Ch. sp. entre Différence

— 181,4 et -f 13 i3 et 100

Cuivre. . . 0,0868 0,0940 0,0072

Fer ... . 0,0914 0,1162 0,0248

Aluminium . . 0,1833 0,2173 0,0340

Ces différences lui paraissant extraordinaires, l'auteur a recommencé plusieurs fois ses déterminations; il est arrivé toujours aux mêmes résultats dont il ne donne aucune explication et qui, s'ils sont confirmés, sont de nature à modifier nos idées relatives aux propriétés physiques des métaux.

La chaleur spécifique varie aussi avec l'état physique, avec Vaspect du métal, tantôt fort peu, tantôt beaucoup ; c'est ainsi qu'elle est égale à 0,0936 pour le cuivre écroui et qu'après le recuit elle s'élève à 0,0950.

Il existe une relation entre la chaleur spécifique des métaux et leur poids atomique, relation nécessairement approchée, puisque la chaleur spécifique est fonction de la température alors que le poids atomique ne l'est pas. En considérant les métaux à l'état solide, et à une température telle que la variation de la chaleur spécifique soit la plus petite possible pour une élévation notable de la température, on peut admettre comme vérifiée par l'expérience la loi énoncée par Dulong et Petit : Le produit de la chaleur spécifique d'un métal par son poids atomique est constant. En admettant que les poids atomiques des métaux représentent les poids d'un même nombre d atomes de ces corps, le produit du poids atomique par la chaleur spécifique représente la chaleur spécifique atomique, c'est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire pour élever de un degré, le même nombre d'atomes de tous les métaux ; la loi peut donc s'énoncer ainsi : la quantité de chaleur nécessaire pour échauffer d'une même quantité un atome de métal est la même pour tous les métaux. Regnault a étendu les expériences de Dulong et Petit, et les résultats obtenus sont les suivants :

LES H^AUX CONBlOinÉS EN BOX- MÊMES

Chai. spéciKque Poids iitomique!»

Potassium . .

Sodium .

2înc ....

Cadmium . .

Nickel . . .

<k>balt . . .

Ter

JUanganëse .

^^iuminium . . .

"ITungstène . . .

f tain

antimoine . .

-argent . . . .

¥lomb . . . .

Wercure (liquide) ,

Cuivre . . . .

Or

I*latine . . .

Palladium

Iridium . . . .

Osmium , . . .

Qxxoique les produits ne soient pas rigoureusement égaux, Us 3ont compris tous entre 5,889 et 6,748, et l'on ne saurait attribuer au hasard une semblable coïncidence. Si Ton se r^Pp^lle d'une part combien il est difficile d'obtenir des méfcivix purs, d'autre part les variations que les chaleurs spéoîfiques éprouvent quand l'état physique du corps varie, on cornprend qu'il faudrait considérer tous les métaux sous des états identiques, ce qui est impoSvSible; on approche de cette coriclîjiQn en les prenant assez loin de leur point de fusion, V^^T que les capacités moyennes soient à peu près constantes, ^ qui toutefois n'élimine pas les perturbations dues à Tétat moléotiiaire, et les résultats numériques obtenus conduisent a ^<irciettre l'existence de la loi, qui s'applique d'ailleurs à tous i^s Corps simples solides.

170 INTRODUCTION Â L'ÉTUDE DES IfÉTAtlX

Magnétisme. — Les recherches de Faraday ont montré que par rapport à leurs propriétés magnétiques, les métaux peuvent se diviser en deux groupes ; les uns sont attirés par Taimant, leur axe se dirige suivant les lignes de force du champ magnétique, c'est-à-dire suivant Taxe commun des pièces polaires et des bobines de l'appareil de Faraday, ce sont les métaiLx magnéliques ; les autres au contraire sont repoussés par chaque pôle de Taimant et se placent perpendiculairement à la ligne des pôles, ce sont les métaux diainagnéliqtie$. Voici les principaux métaux qui appartiennent à chacun des deux groupes :

METAUX MAGNETIQUES

METAUX DIAMAGNB

Fer

Bismuth

Nickel

Antimoine

Cobalt

Zinc

Manganèse

Etain

Chrome

Cadmium

Cérium

Mercure

Titane

Plomb

Palladium

. Argent

Platine

Cuivre

Osmium

Or

Lanthane

Tungstène

Molybdène

Uranium

Iridium

Ruthénium

La propriété magnétique diminue quand la température s'élève ; pour le fer elle varie très peu entre 0* et 350*, puis elle s'affaiblit jusque vers 750^ où elle disparaît complètement ; or la température de 740* est précisément celle à laquelle, d'après les recherches de M. Pionchon, le fer éprouve une modification allotropique. L'étude des variations de la chaleur spécifique du nickel l'a conduit de même à admettre que ce métal éprouve un changement d'état vers 340 degrés ; or c'est précisément vers cette température que son magnétisme

disparaît. Quant au cobalt qui, d'après M. Pionchon, n'éprouve de modification allotropique que vers GOO"", il doit aussi cesser d'être magnétique dans ces conditions de température. Il semble donc que pour ces métaux, au moins, il y ait une relation entre leur état moléculaire et leurs propriétés magnétiques.

Densité. — La densité est une constante caractéristique de chaque métal ; elle peut varier de l'un à l'autre entre des limites fort étendues,comme le montrent les nombres suivants :

Lithium

Potassium

Sodium.

Rubidium

Calcium

Magnésium

Glucinium

Aluminium

Titane .

Zirconium

Cérium.

Gallium

Antimoine

Chrome

Zinc. .

Ëtain .

Indium.

Fer. .

Cobalt .

Manganèse

Cadmium

Nickel .

Cuivre .

Molybdène

Bismuth

Argent .

Ruthénium

Plomb . .

Thallium 11,86

Palladium 12,05

Rhodium 12,41

Mercure 13,6

Mercure solide à — 40^ 14,4

Uranium 18,4

Tungstène. 18,7

Or 19,3

Platine 21,5

Iridium 22,4

Osmium 22,47

Les nombres de ce tableau ne peuvent être regardés comme représentant la valeur absolue de la densité de chaque métal ; nous avons vu en effet (p. 151) que celle-ci peut présenter des variations plus ou moins considérables suivant l'état physique du corps que Ton étudie et qu'elle peut même servir à caractériser pour chaque métal Va^ect sous lequel on le considère.

Perméabilité, — Les métaux amenés au degré le plus parfait possible d'homogénéité demeurent cependant des matières poreuses capables de laisser passer certains gaz à travers leur substance ; Cette porosité s'accroît sous diverses influences, mais en particulier sous l'action de la chaleur.

Perméabilité à haute température. — Pour mettre en évidence la porosité à haute température, H. Sainte-Claire Ueville s'est servi d'un tube en fer étiré, de 3 à 4 millimètres d'épaisseur, soudé par ses extrémités à deux tubes étroits de cuivre, l'un droit, l'autre recourbé à angle droit et réuni par du mastic à un tube de verre de 0'",80 de long que l'on fait plonger dans du mercure. Le tube de fer étant enveloppé avec un tube de porcelaine vernie, on place le système dans un fourneau à réverbère, et pendant huit à dix heures, on y fait passer, au rouge, un courant d'hydrogène pour purger l'intérieur du tube métallique de toute trace d'air ou d'humidité ; au bout de ce temps, on arrête le courant de gaz et l'on voit le niveau monter peu à peu dans le tube manométriquo jusqu'à 740 millimètres environ, ce mouvement d'ascension s'accélé-

LES MÉTAUX CONSIDERES EiN KUX-MÂMES 173

rant quand on fait croître la température du fourneau ; ainsi rhydrogène a traversé les parois du tube de fer, malgré la pression atmosphérique, en vertu de la diflusion énergique que les parois de métal permettent à ce gaz.

M. Cailletet montre cett« porosité du fer d'une façon un peu différente; après avoir complètement aplati au laminoir un canon de fusil, il en brase les extrémités, puis il expose cette sorte de lame métallique à la haute température d'un four à réchauffer ; on voit alors les parois non soudées reprendre bientôt la forme cynndrique et le volume primitif, les gaz du loyer ayant traversé toute l'épaisseur du fer et distendu les parties d'abord en contact. Si le tube préparé et aplati est soudé par une de ses extrémités à un tube lin de cuivre, enveloppé d'un cylindre de terre poreuse et placé au milieu d'un fourneau alimenté par du charbon de bois, on voit se dégager par le tube de cuivre des bulles d'hydrogène pur, qui a traversé les parois de fer.

C'est à cette pénétration que sont dues les soufflures qui se trouvent souvent à la surface des pièces de forge de grandes dimensions, au moment où on les extrait des fours à souder et qui, lorsqu'on les perce, laissent échapper, sous la forme d'un jet, les gaz com|)ustibles qui se sont accumulés, pendant le chauffage, dans les cavités que la pièce incomplètement élaborée peut présenter. A la même cause se rattachent les ampoules qui recouvrent l'acier au sortir des caisses de cémentation et l'examen de ces ampoules montre que chacune d'elles correspond à un point où la soudure de l'éponge métallique n'a pu avoir lieu, soit en raison d'un travail incomplet, soit à cause de la présence d'une matière infusible, comme la chaux, ou les scories des combustibles employés. Un tube de 2 millimètres d'épaisseur, aplati, reprend la forme cylindrique sous une pression équivalente à 34 centimètres de mercure ; si on porte l'épaisseur à 24 millimètres la déformation des parois n'a plus lieu, et l'absorption de l'hydrogène cesse de se produire, même au rouge blanc, sous la pression de 680 millimètres de mercure; à 210 degrés, l'hydrogène ne peut traverser, non plus qu'à froid, une lame de fer de 1/35 de millimètre d'épaisseur.

C'est la même cause qui rend si dangereux le chauffage à l'aide de poêles de fonte cylindriques,entourés d'une enveloppe de même matière formant autour de lui une sorte de chambre ne communiquant avec l'air extérieur que par les interstices qui se trouvent à la bas» de l'enveloppe ; l'espace compris entre celle-ci et le cylindre intérieur laisse passer les gaz de la combustion, quand la fonte est chauffée entre le rouge sombre et le rouge vif. L'hydrogène et l'oxyde de carbone absorbés par la surface interne de la paroi de fonte se diffusent à l'extérieur et d'une manière continue, dans l'atmosphère ambiante, et leur présence dans l'air suffit pour expliquer les malaises qu'éprouvent les personnes enfermées dans une salle chauffée par un poêle de cette nature. Ces malaises ne sont pas autre chose que les premiers symptômes d'un ejoipoisonnement par l'oxyde de carbone.

— L'argent est perméable pour l'oxygène au-dessous de son point de fusion ; M. Troost l'a montré en chauffant un tube d'argent d'un millimètre d'épaisseur dans un cylindre de platine maintenu à la température d'ébullition du cadmium ; un courant d'oxygène passait dans l'espace annulaire compris entre les deux cylindres, pendant que l'intérieur du tube d'argent était en communication avec une trompe qui y faisait le vide ; dans ces conditions l'oxygène traverse avec lenteur la paroi d'argent, et d'autant plus aisément que celle-ci est moins épaisse.

Bien des phénomènes attestent la perméabilité de l'argent pour les gaz au rouge; ainsi quand sur une lampe à gaz on chauffe un creuset d'argent plein de bicarbonate de soude, de manière à chasser Tacide carbonique en se gardant de liquéfier le carbonate qui fondrait au-dessus de 800®, après que l'opération a été répétée vingt à trente fois, le creuset se charge de sodium de façon à décomposer l'eau et il devient fragile. Le métal alcalin ainsi combiné à l'argent résulte de Taction réductrice exercée sur le carbonate par les gaz de la combustion, notamment par l'hydrogène et l'oxyde de carbone qui traversent l'argent fortement chauffé, en formant avec lui des coni posés transitoires.

— La perméabilité du platine augmente beaucoup à me-

LKS M^AUX CONSIDÉRÉS BN EUX-MÊMES i7î)

sure que la température s'élève ; un tube de ce métal fermé par un bout et adapté par l^aulre à un aspirateur, tient le vide à froid et même au rouge vif ; mais si on l'enferme dans un cylindre de porcelaine à Tintérieur duquel circule de l'hydrogène, ce gaz traverse le platine avec rapidité. H y a d'ailleurs une différence énorme entre la perméabilité du platine pour ce corps et pour les gaz plus denses que lui ; pendant que 211 centimètres cubes d'hydrogène traversent un tube de platine de 11 dixièmes de millimètre d'épaisseur, porté au rouge vif, ce même appareil ne laisse passer que deux dixièmes de centimètre cube des gaz oxygène, azote, chlore, acide chlorhydrique, oxyde de carbone acide carbonique, formène, éthylène, vapeur d'eau, hydrogène sulfuré et gaz ammoniac. Si le tube de platine est placé dans un cylindre de porcelaine beaucoup plus large et moins long et qu'on le fasse traverser par un courant d'air sec, tout en dirigeant de l'hydrogène dans J'espace annulaire compris entre les deux parois, on n'observe rien de particulier à la température ordinaire, il se dégage de l'air du tube de platine, de rhydrogène de l'espace compris entre les deux tubes; mais vient-on a élever graduellement la température, le phénomène change avec une grandq régularité : l'hydrogène passant à travers le platine se combine avec l'oxygène de l'air de sorte que ce qui sort du cylindre de platine est un mélange d'azote, de vapeur d'eau et même d'hydrogène, quand on opère à température assez élevée. Au moment où l'appareil est très chaud, si l'on ferme le robinet qui amène l'hydrogène dans l'espace annulaire, et qu'on plonge en même temps dans du mercure le tube qui donne issue au gaz, on voit le mercure monter dans ce tube, indiquant par là que l'hydrogène continue de traverser le platine, si bien que le vide se fait dans l'espace annulaire.

Cette porosité du platine au rouge fait comprendre l'impossibilité où l'on se trouve de s'en servir pour construire des pyromètres à air, quand ceux-ci doivent être mis en contact, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un moufle en terre qui est toujours poreux lui-même, avec les gaz des foyers, qui contiennent toujours de l'hydrogène.

176 INTHODUCTION A L*KTUDI£ DES MjfcTAUX

Perméabilité à froid. — La perméabilité des métaux existe non seulement au rouge, mais aussi à la température ordinaire. M. Cailletet Ta mise en évidence à l'aide de vastes ampoules qu'il forme en soudant par leurs bords deux lames minces de fer, elles constituent alors une sorte de sac auquel on adapte un tube de cuivre fin qui pénètre entre les deux lames et qu'on y fixe par une soudure. Quand on plonge cet appareil dans un bain d'acide sulfurique ou d'acide chlorhydrique étendus, on remarque, au bout d'un temps variable avec l'épaisseur des parois métalliques, que des bulles nombreuses ne tardent pas à se dégager par l'extrémité libre du tube de cuivre plongée dans Teau. Comme la quantité de gaz qui traverse l'appareil est en rapport avec la surface du métal attaqué il suffit, pour obtenir un dégagement rapide d'bydrogène, de se servir de lames de grande surface que Ton enroule en spirale pour les rendre plus maniables et qu'on plonge dans un vase de pile; un appareil de 12 décimètres carrés de surface donne, en une minute, 4 centimètres cubes d'hydrogène quand il est attaqué par de l'acide sulfurique moyennement concentré et chauffé vers 30^ pour favoriser son action corrosive. En plongeant dans du mercure l'extrémité libre du tube de cuivre le dégagement continue, et une pression de 0™,35 de mercure n'arrête pas le passage de l'hydrogène à travers les parois de l'appareil.

L'expérience réussit bien avec des lames dont l'épaisseur ne dépasse pas 4 dixièmes de millimètre ; d'ailleurs les ampoules sont imperméables à l'hydrogène sec, même quand on fait le vide à leur intérieur.

Dans le liquide acide, au contraire, elles s'imbibent plus ou moins profondément d'eau acidulée, ce qui met un obstacle presque absolu au dégagement de l'hydrogène produit au fond des cellules, là où l'acide a pénétré ; on sait en effet que les matières poreuses et perméables aux gaz perdent cette propriété quand elles sont mouillées. L'hydrogène ainsi empêché de se dégager éprouve une pression considérable, suffisante pour lui taire traverser à froid la paroi métallique non mouillée et l'amènera se dégagera l'intérieur de l'ampoule. C'est pour cette raison que des lames de fer soumises au décapage se

LES MÉTAUX CONSloiRÉS KN ECX-MÉMS8 177

recouvrent souvent de nombreuses soufflures au sortir du bain acide, alors qu'elles étaient parfaitement planes avant leur immersion ; ces ampoules tout à fait semblables à celles qui se produisent sur les barreaux soumis à la cémentation, et sur certains fers chauffés à la haute température des fours à souder, renferment comme elles de l'hydrogène, ce dont on s'assure en en perçant un certain nombre sous une éprouvette pleine d'eau et analysant le gaz qui s'en échappe.

Les ampoules construites avec des lames minces de zinc, et immergées dans les acides étendus ne donnent au contraire que des résultats négatifs.

Propriétés générales des métaux au point de vue de lenr

déformation*

Sous l'influence des actions mécaniques les plus diverses, un métal est susceptible d'éprouver des variations de forme, de volume, qui portent le nom général de déformations ; si dans un essai quelconque on construit la courbe des déformations par rapport aux forces qui les ont produites on peut considérer successivement : 1'' la courbe tout entière OAB rapportée aux axes OX, OY (fig. 26), lès déformations élastiques étant en général négligeables devant les permanentes ; 2<» la ligne OA seule, rapportée aux mêmes axes (Période d'élasticité théorique prise iso- "" Kig 26

lément) ; 3"" La courbe AB seule,

rapportée aux axes auxiliaires AX', AY' (Période des déformations permanentes prise isolément, et ayant le point A comme origine).

Comme les conditions de temps, de température, etc., dans lesquelles on s'est placé n'influent pas sur la nature même des propriétés des corps, mais seulement sur les valeurs numériques qui mesurent ces propriétés, nous n'avons rien autre à considérer dans l'étude des déformations et nous nous

trouvons en présence de trois propriétés générales des métaux, la dureté, l'élasticité, la plasticité.

I. DuRExi. — M. Osmond définit la dureté, la propriété de résister plus ou moins aux déformations permanentes som radian de forces plus ou moins grandes ; autrement dit la dureté est la propriété que possèdent les corps solides, à un degré variable, de défendre l'intégrité de leur forme contre le^ causes de déformation permanente, et l'intégrité de leur substance contre les causes de dicision, La limite élastique marque le moment où la dureté commence à céder, et la division celui où elle est définitivement vaincue ; entre ces deux points il n'y a pas de saut brusque, la division est la limite des déformations.

Au mot dureté il convient d'opposer le mot douceur pour exprimer la manière d'être des corps qui ont une faible dureté ; douceur et dureté sont les deux faces d'une même propriété, un même métal est dur ou doux suivant qu'on le compare à tel ou tel autre corps.

En outre, on peut considérer la propriété de résister plus ou moins aux causes de déformation permanente, de deux manières :

l'' Indépendamment de la grandeur que peuvent prendre les déformations : cette propriété peut être appelée la ténacité, résistance que les corps opposent aux eflorts qui tendent à les rompre, soit par choc, soit par pression ou par traction ; au mot tenace peut être opposé le mot faible, et par suite la faiblesse à la ténacité.

2^ Indépendamment de la grandeur des forces qui produisent les déformations : cette propriété peut être appelée la consistance, mot qui exprime bien la permanence de la forme, et on lui opposera la mollesse.

Mais il y a bien des manières de déformer un corps : traction, compression, torsion, pénétration, cisaillage, striage, etc., et chacun d'eux met la dureté en jeu ; il faut donc distinguer la dureté à la traction, à la compression, etc. ; ceci ne veut pas dire qu'il y ait autant de duretés que de modes de déformation, mais seulement autant de manières distinctes

LES MÉrAUX CONSIDÉRÉS EN EUX-MÊMES 179

de provoquer les métaux à manifester leur dureté. Dès lors il ^^ saurait être question de niesurer la dureté par un chiffre unique à moins que la limite élastique ne se confonde avec la charge de rupture (*). Pour les corps qui se déforment avant de ^^ rompre, il n'y a pas de chifïre de dureté, mais des lois de la Pureté, comme il y a les lois de l'élasticité ; nous verrons que

(0 fioUone qui mesurait la dureté des métaux malléables par la pénétra- ^^OQ et celle des métaux fragiles pat l'usure, a avancé que la dureté était proportionnelle au quotient du poids spéciQque par le poids atomique, c'est-à-dire ^oversetneni proportionnelle au volume atomique. M. Benediclis, regardant comme applicable aux métaux l'hypothèse d'Avogadro relative aux gaz, conclut 9^6 Ja pression ir exercée dans un métal par ses molécules, croit proportion- ^ey/coiont au nombre de ces molécules, pour des volumes égaux et à la même *e«ajx>jra lure. On a : ir — constante x k *

Jk ^<« poids spécifiQue

<5»ant le rapport -^—r\ — =- -^ — qu'il appelle concentration atomique, et

poids atomique

^^^ Ic&s <;orps simples la dureté serait proportionnelle à la concentration atomique.

'^^ ^Sralité se vérifie avec une grande approximation quand on compare les

^***^«^^^ de M. Benedlcks, aux coefficients de dureté de Bottone; on peut dresser

OD ^fTeC le tableau suivant :

Coellîcients de dureté Coeflicienls de durelé

observés (Bottone) calculés (Benedicks)

Manganèse 0,1456 0,1457

Cobalt 0,1450 0^446

Mckel 0,1410 0,1408

Fer 0,1375 0,1375

Cuivre 0,1360 0,1364

Platine 0,1107 0,1090

Zinc 0,1077 0,1077

Or 0,0979 0,0980

Argent 0,0990 0,0963

Aluminium 0,0821 0,0821

Ciadmium 0,0760 0,0868

Klagnésium 0,0726 0.0726

EUin 0,0651 0,0719

^lomb 0,0570 0,0550

Sodium 0,0400 0,0401

Ciilcium 0.0230 0,0221