Métal

Les métaux sont une classe de matériaux très utilisés dans de nombreux domaines : construction (charpentes métalliques, menuiserie en aluminium), plomberie (tuyaux, robinets), véhicules (du vélo à l'avion), machines industrielles, armement,…

Les métaux sont également de plus en plus employés dans la plupart des techniques de pointe : accumulateurs électriques, cartes électroniques, écrans plats LCD, capteurs solaires photovoltaïques, lampes fluo-compactes, diodes électroluminescentes,… La consommation des métaux s'est ainsi très fortement accrue depuis les années 1980, au point que certains métaux rares sont devenus des matières premières minérales critiques.

Définition

Séparation des métaux et non-métaux dans le tableau périodique des éléments.

Historiquement, un métal est un matériau obtenu à partir de minerai (du grec metallon, « mine, tranchée »)2 ; il est donc défini par sa méthode d'obtention. De manière moderne, un métal est défini comme un matériau dont la cohésion des atomes est assurée par laliaison métallique : tous les atomes de l'objet mettent un ou plusieurs électrons en commun. Ceci explique en particulier la bonne conductivité électrique, puisque des électrons circulent « librement », et leur facilité à céder un électron et donc former un cation ; ceci explique également qu'ils soient naturellement sous forme de minerai (les cations métalliques s'associant à d'autres éléments pour former des roches). Par ailleurs, les atomes s'agencent de manière régulière pour former des cristaux ; lorsque les atomes s'agencent de manière amorphe, on parle de verre métallique. Cette structure cristalline est très importante pour les propriétés du métal (en particulier formabilité, résistance mécanique, résistance à la corrosion).

Certains matériaux ont une liaison partiellement métallique et donc sont à la limite des céramiques, par exemple les intermétalliques.

Dans le tableau périodique des éléments, la diagonale partant du bore (B) et allant jusqu'au polonium (Po) sépare les éléments métalliques (en bas à gauche) des éléments non métalliques (en haut à droite). Les éléments placés de part et d'autre cette ligne ne possèdent pas un caractère métallique aussi prononcé que les autres métaux. À droite de cette ligne, les éléments sont des non-métaux, terme préféré au terme désuet « métalloïde ».

De plus, le caractère métallique des éléments d'une même colonne augmente avec le nombre d'électrons (c'est-à-dire lorsque l'on descend dans le tableau). Par exemple, lecarbone-diamant (Z = 6) est un isolant, le silicium (Z = 14) est un semi-conducteur et l'étain (Z = 50) est un métal.

Paramètres influençant la spéciation des métaux

La spéciation des métaux dans les phases aqueuses et solides est influencée par plusieurs paramètres (Voir aussi section Environnement de cette page) :

• le pH : en général, un pH acide tend à solubiliser les métaux alors qu'un pH alcalin favorise leur adsorption ;
• la matière organique : la matière organique adsorbe les métaux et est synonyme de stabilité (non biodisponibilité) ;
• la concentration des ligands : plus la concentrations des ligants inorganiques et organiques est élevée, plus le métal se lie à ce ligand et forme une espèce chimique populeuse ;
• la force du lien ionique ou covalent : plus le lien métal-composé est fort, plus l'espèce chimique associée à ce composé sera stable ;
• la stœchiométrie : les principes stoechiométriques doivent évidemment être respectés pour engendrer la formation des composés.

Cette spéciation implique que l'équilibre chimique est atteint. Or, la complexation des métaux avec les ligands inorganiques est très rapide car ils sont nombreux dans la phase aqueuse, mais la complexation des métaux avec les ligands organiques nécessite plus de temps car les sites d'adsorption ou d'attachement sont moins accessibles. Par conséquent, il est préférable d'analyser la spéciation d'une contamination métallique sur une matrice contaminée stable depuis plusieurs années qu'une matrice fraîchement contaminée avec une dynamique chimique évolutive, sans quoi les analyses risquent d'être biaisées.

De plus, la constante d'équilibre relative à la notion d'équilibre chimique peut être illustrée par la réaction :

Métalⁿ⁺ + Ligand^n- → Métal-Ligand

La constante d'équilibre K_éq associée à cette équation varie selon le type de lien :

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

Ainsi, puisque K_éq est relativement faible pour les paires ioniques et plus élevée pour les complexes, les métaux préfèrent s'associer à long terme aux complexes stables qu'aux paires ioniques de plus faible énergie de liaison.

Raréfaction des ressources

Le développement de nombreuses industries telles que l'électronique, les technologies de l'information et de la communication, et l'aéronautique, et le pari du « tout technologique » dans la recherche du rendement et de l'efficacité, ont conduit à une augmentation sans précédent de la production et de la consommation de métaux. La période de croissance de 1990 à 2010 a conduit à un doublement de la production des principaux métaux. Alors que dans les années 1970, on utilisait moins de 20 métaux dans la table de Mendeleïev, on en consomme environ 60 depuis les années 200010.

Il y a une tendance à la baisse de concentration moyenne des minerais. Par exemple, la concentration moyenne des minerais de cuivre exploités est passée de 1,8 % dans les années 1930 à 0,8 % en 201011. Parallèlement, les réserves, exprimées au niveau de production 2008, se situent pour la plupart des métaux entre 20 et 100 ans de production annuelle12.

Géopolitique

Depuis très longtemps les mines de certains métaux (précieux ou communs mais indispensables à l'industrie), les installations de raffinage, voire certains secrets de fabrication étaient considérés comme d'intérêt stratégique par les États. Les raisons militaires et l'avènement des armes et munitions métalliques puis de l'énergie et de l'arme nucléaire ont accru l'importance de certains métaux. Même pour des métaux géologiquement non rares comme le cuivre, mais faisant l'objet d'un marché fluctuant, de fortes hausses de cuivre se traduisent aussi par l'accroissement de vols de métaux (à titre d'exemple, en France, en 2010, RFF et la SNCF ont subi 2 100 vols de cuivre (quatre fois plus qu'en 2009) qui ont causé des dysfonctionnements et plusieurs dizaines de millions d'euros de préjudice par an pour la SNCF 13.

La consommation de certains métaux autrefois sans valeur s'est fortement accrue au xx^e siècle, avec par exemple l'uranium (fortement demandé pour des usages militaires et civils), les métaux du groupe du platine (principalement utilisés pour les pots d'échappements catalytiques, comme catalyseur industriel ou pour les chimiothérapiesanticancéreuses) la surexploitation des ressources minières les plus accessibles ou les plus « pures » et malgré les économies permises par un recyclage d'une partie des métaux constituant les produits en fin de vie ou les chutes de production, la notion de métaux stratégiques est encore prégnante. Ainsi, la France a créé 14 en 2011 un « Comité pour les métaux stratégiques », chargé d'aider le ministère à élaborer et mettre en œuvre une politique rénovée de gestion de ces métaux, via notamment des approvisionnements mieux sécurisés. Le ministre chargé des matières premières en préside les trois collèges (administrations, organismes techniques et fédérations professionnelles et industriels). La FEDEREC (fédération des entreprises du recyclage) et la FEDEM (fédération des minerais, minéraux industriels et métaux non ferreux) y participent.

Environnement

Contrairement aux composés organiques, les métaux ne sont pas biodégradables par les micro-organismes. Cette caractéristique engendre certains problèmes de gestion de la contamination métallique. En effet, le sort des métaux dans l’environnement pose de grands défis analytiques; les métaux se retrouvent sous plusieurs formes dans le sol et dans l'eau (complexe avec la matière organique du sol, avec les minéraux, précipitation, ions libres, etc.) complexifiant les prédictions de toxicité et d'écotoxicité 15,16.

Toxicité et écotoxicité terrestre

La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leur caractéristiques propres (radioactivité éventuelle et type de radioactivité, métal lourd, toxicité chimique, micro ou nanoparticules, etc.), spéciation chimique et biodisponibilité ; plus l'espèce métallique est libre et mobile, plus elle est biodisponible et plus il y a un risque de toxicité sur les organismes vivants. En général, les ions métalliques libres (en solution) constituent la forme chimique la plus disponible pour les organismes et donc la plus susceptible d'être toxique. Cependant, d'autres espèces ou fractions de métaux peuvent être instables et mobiles (fraction labile ou liée aux oxydes libres par exemple) et engendrer un risque pour les organismes.

Certains métaux (fer, cuivre et zinc notamment) sont des éléments essentiels. Ils sont toxiques au-delà d'une certaines dose, mais une carence entraine des troubles métaboliques graves.

Ainsi, plusieurs paramètres influencent la toxicité des métaux dans les sols17,18:

• le pH : généralement, un pH acide solubilise les métaux normalement immobiles et augmente donc le risque de toxicité ;
• la composition du sol : les argiles et la matière organique du sol adsorbent les contaminants et les séquestrent sous forme de complexes stables faiblement mobiles, alors que les particules plus grosses comme le sable ou le gravier retiennent moins les métaux du sol ;
• le temps passé après une contamination aiguë, ou le temps durant lequel une contamination chronique a eu lieu : un site fraîchement contaminé ne présente pas nécessairement plus de toxicité qu'un site ayant subi une contamination diffuse mais étalée sur plusieurs années ou décennies ;
• le niveau de saturation des sites d'adsorption : plus les sites sont capables de fixer, les métaux approchent leur niveau de saturation, plus le métal aura tendance à se solubiliser ou se rendre biodisponible.

Empreinte énergétique

Pour aller de la mine à un objet façonné, il faut passer par de nombreuses étapes et utiliser beaucoup d'équipements qui consomment de l'énergie. Les métaux étant pratiquement tous sous forme d'oxydes ou de sulfures dans la nature, il faut, pour les obtenir sous forme métallique, fournir l'énergie nécessaire à casser les liaisons chimiques correspondantes.

L'empreinte énergétique d'un métal est la quantité d'énergie nécessaire pour obtenir du métal pur. Dans ce qui suit, la quantité d'énergie est mesurée en tep (tonne équivalent pétrole, pour une tonne de métal pur.

Pour obtenir l'énergie « contenue » dans un métal « neuf », issu de la première transformation du minerai, il faut prendre en compte :

• l'énergie d'extraction du minerai ;
• l'énergie des traitements pré-métallurgiques (minéralurgie) ;
• l'énergie de la métallurgie d'élaboratiion ;
• l'énergie de la première transformation (fonte et affinage) ;
• l'énergie du transport éventuel entre les différentes étapes19.

Énergie des métaux donnée par différentes sources

(en tep - tonne équivalent pétrole - par tonne de métal brut)

Métal	Norgate & Rankine (2002)	J.C. Prevot (*) (2005)	ADEME (**) (2006)	BRGM (2007)	R.U. Ayres (*) (2002)
Titane		10,5-13,6		9,9
Magnésium		10,0-10,2		8,6
Aluminium	5,0	6,4-7,4	3,8	5,8	2,5 (***)
Étain				4,6
Nickel	2,7-4,6		3,3
Cuivre	0,8-1,5	2,4-3,6	1,0	1,9	1,1-1,5 (***)
Zinc	0,9-1,1	1,7-1,9	1,0	1,6	1,5 (***)
Acier	0,5	0,8-1,4	0,4	0,8
Plomb	0,5-0,8	0,8-1,1	0,8	0,5	0,7 (***)

(*) Source en MJ / kg et 1 MJ = 2,38.10⁻⁵.
(**) Source en tec (tonne équivalent carbone) ; conversion utilisée : 1 tec = 1,3 tep (valeur moyenne européenne).
(***) Énergie injectée dans les procédés uniquement : hors énergie d'extraction, des intrants (acides, solvants, etc), de transport.

La consommation énergétique totale pour la production de métaux bruts est alors de 730 à 1 070 Mtep, soit 7 à 10 % de l'énergie primaire mondiale. L'acier et l'aluminium en représentent la plus grande part, soit respectivement 544-680 Mtep et 147-288 Mtep20.

Impact du recyclage

Heureusement, les grands métaux étant globalement très recyclables, l'énergie nécessaire au recyclage est bien moindre que l'énergie nécessaire à la fabrication du métal neuf. Par exemple, pour l'acier, l'énergie nécessaire au recyclage représente 25 à 40 % de l'énergie nécessaire à la production du métal primaire. Pour l'aluminium, dont la production à l'état primaire nécessite beaucoup d'énergie, ce pourcentage n'est que 4à 5 %21.