| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Comparer les propriétés physiques générales des métaux et des non-métaux, y compris : (a) conductivité thermique (b) conductivité électrique (c) malléabilité et ductilité (d) points de fusion et points d'ébullition | |
| 2 Décrire les propriétés chimiques générales des métaux, limitées à leurs réactions avec : (a) les acides dilués (b) l'eau froide et la vapeur (c) l'oxygène |
Métaux
Chimie IGCSE · Sujet 9
13:43
Métaux
Pourquoi creusons-nous l'or sous forme de grains brillants, mais le fer uniquement sous forme de roche terne et rouillée ? Et pourquoi une canette de soda ne rouille jamais, alors qu'un clou en fer oui ? Le…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
9.1
Propriétés des métaux
Programme
Source : Programme Cambridge International
Propriétés physiques
Métaux 金属 et non-métaux 非金属 se comportent très différemment :
| Propriété | Métaux | Non-métaux |
|---|---|---|
| conductivité thermique 导热性 (conduction de la chaleur) | bonne | mauvaise |
| conductivité électrique 导电性 | bonne | mauvaise (sauf graphite) |
| malléabilité 展性和 ductilité 延性 | malléable et ductile | fragiles 易碎 (ils cassent) |
| point de fusion 熔点 et point d'ébullition 沸点 | généralement élevé | généralement bas |
Propriétés chimiques
Les métaux réagissent de trois manières principales :
- avec des acides 酸 dilués → un sel 盐 + hydrogène 氢气
- avec de l'eau froide ou de la vapeur 蒸汽 → un hydroxyde métallique (ou oxyde) + hydrogène
- avec de l'oxygène 氧气 → un oxyde 氧化物 métallique
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Liaison métallique
Des ions positifs reposent dans une mer d'électrons délocalisés — c'est pourquoi les métaux conduisent et se plient. En poussant les couches, la liaison reste intacte.
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Lab sur les propriétés des métaux
Reliez les propriétés des métaux au modèle particulaire.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| copper/ˈkɒpə/ | 铜 | tóng |
9.2
Utilisations des métaux
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire les utilisations des métaux en termes de leurs propriétés physiques, y compris : (a) aluminium dans la fabrication d'avions en raison de sa faible densité (b) aluminium dans la fabrication de câbles électriques aériens en raison de sa faible densité et de sa bonne conductivité électrique (c) aluminium dans les contenants alimentaires en raison de sa résistance à la corrosion (d) cuivre dans le câblage électrique en raison de sa bonne conductivité électrique et de sa ductilité |
Source : Programme Cambridge International
Un métal est choisi pour un travail en raison de ses propriétés physiques.
- L'aluminium 铝 est utilisé pour fabriquer des avions grâce à sa faible densité 密度 (il est léger).
- L'aluminium est utilisé pour les câbles électriques aériens grâce à sa faible densité et sa bonne conductivité électrique.
- L'aluminium est utilisé pour les contenants alimentaires car il résiste à la corrosion 腐蚀.
- Le cuivre 铜 est utilisé pour le câblage électrique grâce à sa bonne conductivité électrique et sa ductilité (il peut être filé en fils).
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Lab sur l'utilisation des métaux
Choisissez la propriété qui explique chaque utilisation de métal.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| metals/ˈmetlz/ | 金属 | jīn shǔ |
| non-metals/nɒn ˈmetlz/ | 非金属 | fēi jīn shǔ |
| thermal conductivity/ˈθɜːml kɒndəkˈtɪvɪti/ | 导热性 | dǎo rè xìng |
| electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ | 导电性 | dǎo diàn xìng |
| malleability/ˌmæləˈbɪlɪti/ | 展性 | zhǎn xìng |
| ductility/dʌkˈtɪlɪti/ | 延性 | yán xìng |
| brittle/ˈbrɪtl/ | 易碎 | yì suì |
| melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ | 熔点 | róng diǎn |
| boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ | 沸点 | fèi diǎn |
| acids/ˈæsɪdz/ | 酸 | suān |
| salt/sɒlt/ | 盐 | yán |
| hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ | 氢气 | qīng qì |
| steam/stiːm/ | 蒸汽 | zhēng qì |
| oxygen/ˈɒksɪdʒn/ | 氧气 | yǎng qì |
| oxide/ˈɒksaɪd/ | 氧化物 | yǎng huà wù |
| aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ | 铝 | lǚ |
| density/ˈdensɪti/ | 密度 | mì dù |
| corrosion/kəˈrəʊʒn/ | 腐蚀 | fǔ shí |
| ions/ˈaɪɒnz/ | 离子 | lí zi |
| displacement reaction/dɪˈspleɪsmənt rɪˈækʃn/ | 置换反应 | zhì huàn fǎn yìng |
| oxide layer/ˈɒksaɪd ˈleɪə/ | 氧化层 | yǎng huà céng |
9.3
Alliages
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire un alliage comme un mélange d'un métal avec d'autres éléments, y compris : (a) laiton comme un mélange de cuivre et de zinc (b) acier inoxydable comme un mélange de fer et d'autres éléments tels que le chrome, le nickel et le carbone | |
| 2 Indiquer que les alliages peuvent être plus durs et plus résistants que les métaux purs et qu'ils sont plus utiles | 5 Expliquer en termes de structure comment les alliages peuvent être plus durs et plus résistants que les métaux purs car les atomes de tailles différentes dans les alliages empêchent désormais les couches de glisser les unes sur les autres |
| 3 Décrire les utilisations des alliages en termes de leurs propriétés physiques, y compris l'acier inoxydable dans la vaisselle en raison de sa dureté et de sa résistance à la rouille | |
| 4 Identifier les représentations d'alliages à partir de schémas de structure |
Source : Programme Cambridge International
Un alliage 合金 est un mélange 混合物 d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments.
- Le laiton 黄铜 est un mélange de cuivre et de zinc 锌.
- L'acier inoxydable 不锈钢 est un mélange de fer 铁 avec d'autres éléments tels que le chrome 铬, le nickel 镍 et le carbone 碳.
Les alliages sont généralement plus durs et plus résistants que les métaux purs, ce qui les rend plus utiles. Par exemple, l'acier inoxydable est utilisé pour la vaisselle car il est dur et ne rouille pas.
Pourquoi les alliages sont plus durs. Dans un métal pur, les atomes 原子 sont tous de la même taille, donc les couches 层 peuvent glisser facilement les unes sur les autres. Dans un alliage, les atomes de tailles différentes empêchent les couches de glisser, donc l'alliage est plus dur et plus résistant.
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Lab sur les propriétés des alliages
Voir pourquoi mélanger des atomes change les propriétés des métaux.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| alloy/ˈælɔɪ/ | 合金 | hé jīn |
| mixture/ˈmɪkstʃə/ | 混合物 | hùn hé wù |
| brass/bræs/ | 黄铜 | huáng tóng |
| zinc/zɪŋk/ | 锌 | xīn |
| stainless steel/ˈsteɪnləs stiːl/ | 不锈钢 | bù xiù gāng |
| nickel/ˈnɪkl/ | 镍 | niè |
| carbon/ˈkɑːbən/ | 碳 | tàn |
| atoms/ˈætəmz/ | 原子 | yuán zi |
| layers/ˈleɪəz/ | 层 | céng |
9.4
La série de réactivité
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Indiquer l'ordre de la série de réactivité comme suit : potassium, sodium, calcium, magnésium, aluminium, carbone, zinc, fer, hydrogène, cuivre, argent, or | 4 Décrire les réactivités relatives des métaux en termes de leur tendance à former des ions positifs, par réactions de déplacement, si elles existent, avec les ions aqueux de magnésium, zinc, fer, cuivre et argent |
| 2 Décrire les réactions, si elles existent, de : (a) potassium, sodium et calcium avec l'eau froide (b) magnésium avec la vapeur (c) magnésium, zinc, fer, cuivre, argent et or avec l'acide chlorhydrique dilué et expliquer ces réactions en termes de la position des métaux dans la série de réactivité | |
| 5 Expliquer l'inertie apparente de l'aluminium en termes de sa couche d'oxyde | |
| 3 Déduire un ordre de réactivité à partir d'un ensemble donné de résultats expérimentaux |
Source : Programme Cambridge International
La série de réactivité 金属活动性顺序 classe les métaux selon leur degré de réactivité. Le carbone et l'hydrogène y sont inclus pour comparaison :
potassium 钾, sodium 钠, calcium 钙, magnésium 镁, aluminium, carbone, zinc, fer, hydrogène, cuivre, argent, or
(le plus réactif en haut, le moins réactif en bas)
Plus un métal est haut dans la série, plus il forme facilement des ions positifs. Cela explique ses réactions :
- le potassium, le sodium et le calcium réagissent avec l'eau froide.
- le magnésium réagit avec la vapeur (mais très lentement avec l'eau froide).
- le magnésium, le zinc et le fer réagissent avec l'acide chlorhydrique dilué ; le cuivre, l'argent et l'or ne réagissent pas.
Réactions de déplacement
Un métal plus réactif déplacera un métal moins réactif depuis une solution contenant ses ions (une réaction de déplacement 置换反应). Par exemple, le zinc déplace le cuivre depuis une solution de sulfate de cuivre(II), car le zinc est plus réactif que le cuivre :
$$\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}$$
Soyez prêt à dire ce que vous verriez, car ce sont des points séparés :
- la couleur bleue de la solution disparaît - les ions bleus $\text{Cu}^{2+}$ sont consommés (le sulfate de zinc est incolore).
- non solide rose-brun recouvre le zinc - c'est le cuivre déplacé.
- le zinc gris se dissout et diminue de taille.
- le mélange chauffe - le déplacement est exothermique.
Les réactions métal-acide ont leur propre liste : effervescence 泡腾 (l'échappement de l'hydrogène) et le solide se dissout. Avec de l'oxyde de cuivre(II) ou du carbonate et de l'acide, ajoutez que la solution devient bleue. N'écrivez jamais « de l'hydrogène est dégagé » comme observation - on ne voit pas le gaz, seulement les bulles, donc écrivez effervescence.
Exemple résolu. Le zinc et l'aluminium se trouvent tous deux sous forme d'oxydes. Lequel peut être extrait par chauffage avec du carbone, et pourquoi ? Trouvez la position de chaque métal par rapport au carbone dans la série de réactivité. Le zinc est situé en dessous du carbone, donc le carbone est plus réactif que le zinc et peut lui arracher l'oxygène : l'oxyde de zinc est réduit par chauffage avec du carbone. L'aluminium est situé au-dessus du carbone, donc le carbone n'est pas assez réactif pour le déplacer, et l'aluminium doit être extrait par électrolyse à la place - c'est pourquoi l'extraction de l'aluminium coûte beaucoup plus cher. La ligne de la série qui dicte la méthode est celle du carbone, pas le sommet de la liste.
Le cas particulier de l'aluminium
L'aluminium semble moins réactif que sa position ne le suggère. C'est parce qu'il est recouvert d'une fine couche d'oxyde 氧化层 solide qui empêche les autres substances d'atteindre le métal en dessous.
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Déplacement et série de réactivité
Étape par étape d'un déplacement. Un métal plus réactif pousse un métal moins réactif hors de son composé — c'est exactement ce que prédit la série de réactivité.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| reactivity series/rɪəkˈtɪvɪti ˈsɪəriːz/ | 金属活动性顺序 | jīn shǔ huó dòng xìng shùn xù |
| potassium/pəˈtæsɪəm/ | 钾 | jiǎ |
| sodium/ˈsəʊdɪəm/ | 钠 | nà |
| calcium/ˈkælsɪəm/ | 钙 | gài |
| magnesium/mæɡˈniːzɪəm/ | 镁 | měi |
| ore/ɔː/ | 矿石 | kuàng shí |
| electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ | 电解 | diàn jiě |
| hematite/ˈhemətaɪt/ | 赤铁矿 | chì tiě kuàng |
| effervescence/ˌefəˈvesəns/ | 泡腾 | pào téng |
9.5
Corrosion des métaux
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Indiquer les conditions requises pour la rouille du fer et de l'acier pour former de l'oxyde de fer(III) hydraté | |
| 2 Indiquer certaines méthodes barrières courantes, y compris la peinture, le graissage et le revêtement plastique | 4 Décrire l'utilisation du zinc dans le galvanisage comme exemple d'une méthode barrière et d'une protection sacrifielle |
| 3 Décrire comment les méthodes barrières empêchent la rouille en excluant l'oxygène ou l'eau | 5 Expliquer la protection sacrifielle en termes de série de réactivité et en termes de perte d'électrons |
Source : Programme Cambridge International
Rouillage 生锈 est la corrosion du fer et de l'acier. Deux éléments sont nécessaires pour le rouillage : oxygène (de l'air) et eau. La rouille 铁锈 formée est de l'oxyde de fer(III) hydraté.
Empêcher la rouille
Méthodes barrières 隔离法 maintiennent l'oxygène et l'eau à l'écart du fer :
- la peinture, le graissage (recouvrir d'huile) et le revêtement plastique.
Galvanisation 镀锌 signifie recouvrir le fer d'une couche de zinc. Cela fonctionne de deux manières :
- c'est une barrière (le zinc bloque l'air et l'eau) ;
- cela offre une protection sacrificielle 牺牲保护. Comme le zinc est plus réactif que le fer, le zinc perd des électrons 电子 et corrode à la place du fer — même si la surface est rayée.
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Pourquoi le fer rouille — et comment l'en empêcher
Étape par étape de la rouille. Le fer a besoin DE L'EAU ET DE L'OXYGÈNE, et une fois commencé, la rouille s'écaille pour exposer le métal frais — c'est pourquoi nous protégeons le fer.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| iron/ˈaɪən/ | 铁 | tiě |
| chromium/ˈkrəʊmɪəm/ | 铬 | gè |
| rusting/ˈrʌstɪŋ/ | 生锈 | shēng xiù |
| rust/rʌst/ | 铁锈 | tiě xiù |
| barrier methods/ˈbærɪə ˈmeθədz/ | 隔离法 | gé lí fǎ |
| galvanising/ˈɡælvənaɪzɪŋ/ | 镀锌 | dù xīn |
| sacrificial protection/ˌsækrɪˈfɪʃl prəˈtekʃn/ | 牺牲保护 | xī shēng bǎo hù |
| electrons/ɪˈlektrɒnz/ | 电子 | diàn zi |
9.6
Extraction des métaux
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Décrire la facilité d'obtention des métaux à partir de leurs minerais, liée à la position du métal dans la série de réactivité | |
| 2 Décrire l'extraction du fer à partir de l'hématite dans le four à creuset, limité à : (a) la combustion du carbone (coke) pour fournir de la chaleur et produire du dioxyde de carbone (b) la réduction du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone (c) la réduction de l'oxyde de fer(III) par le monoxyde de carbone (d) la décomposition thermique du carbonate de calcium/pierre calcaire pour produire de l'oxyde de calcium (e) la formation de scories Les équations symboliques ne sont pas requises | 4 Indiquer les équations symboliques pour l'extraction du fer à partir de l'hématite (a) $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$ (b) $\text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO}$ (c) $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \rightarrow 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$ (d) $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$ (e) $\text{CaO} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{CaSiO}_3$ |
| 3 Indiquer que le principal minerai d'aluminium est la bauxite et que l'aluminium est extrait par électrolyse | 5 Décrire l'extraction de l'aluminium à partir de la bauxite purifiée/oxyde d'aluminium, y compris : (a) le rôle de la cryolithe (b) pourquoi les électrodes en carbone doivent être remplacées régulièrement (c) les réactions aux électrodes, y compris les demi-équations ioniques Les détails de la purification de la bauxite ne sont pas requis |
Source : Programme Cambridge International
La façon dont un métal est extrait de son minerai 矿石 dépend de sa place dans la série de réactivité. Les métaux situés en dessous du carbone peuvent être extraits par chauffage avec du carbone (qui retire l'oxygène). Les métaux situés au-dessus du carbone sont trop réactifs pour cette méthode et doivent être extraits par électrolyse 电解.
Fer du four à haute température
Le fer est extrait de son minerai hématite 赤铁矿 (oxyde de fer(III)) dans un four à haute température 高炉 :
- Le carbone (coke) brûle dans l'air chaud pour donner du dioxyde de carbone et beaucoup de chaleur.
- Ce dioxyde de carbone 二氧化碳 réagit avec davantage de carbone pour former du monoxyde de carbone 一氧化碳.
- Le monoxyde de carbone réduit l'oxyde de fer(III) en fer (c'est une réduction 还原).
- Le calcaire 石灰石 (carbonate de calcium) se décompose à la chaleur pour former de l'oxyde de calcium 氧化钙.
- L'oxyde de calcium réagit avec les impuretés sableuses pour former des scories 炉渣, qui sont éliminées.
Aluminium par électrolyse
L'aluminium est extrait de son minerai bauxite 铝土矿 (purifié en oxyde d'aluminium) par électrolyse :
- L'oxyde d'aluminium est dissous dans de la cryolithe 冰晶石 fondante pour abaisser son point de fusion et économiser de l'énergie.
- À la cathode 阴极, les ions aluminium gagnent des électrons pour former du métal aluminium.
- À l'anode 阳极, de l'oxygène est formé. Cet oxygène réagit avec les anodes de carbone chaudes et les brûle, elles doivent donc être remplacées régulièrement.
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Extraction du fer dans le haut fourneau
Le fer est en dessous du carbone dans la réactivité, donc le carbone peut réduire son minerai en métal.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| blast furnace/blæst ˈfɜːnɪs/ | 高炉 | gāo lú |
| carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ | 二氧化碳 | èr yǎng huà tàn |
| carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ | 一氧化碳 | yī yǎng huà tàn |
| reduction/rɪˈdʌkʃn/ | 还原 | huán yuán |
| limestone/ˈlaɪmstəʊn/ | 石灰石 | shí huī shí |
| calcium oxide/ˈkælsɪəm ˈɒksaɪd/ | 氧化钙 | yǎng huà gài |
| slag/slæɡ/ | 炉渣 | lú zhā |
| bauxite/ˈbɔːksaɪt/ | 铝土矿 | lǚ tǔ kuàng |
| cryolite/ˈkraɪəlaɪt/ | 冰晶石 | bīng jīng shí |
| cathode/ˈkæθəʊd/ | 阴极 | yīn jí |
| anode/ˈænəʊd/ | 阳极 | yáng jí |
9.6
Conseils d'examen
- Apprenez la série de réactivité (potassium → or). Un métal plus réactif déplace un métal moins réactif depuis une solution contenant ses ions.
- Les métaux au-dessus du carbone sont extraits par électrolyse ; ceux en dessous du carbone (comme le fer) peuvent être extraits par chauffage avec du carbone.
- Le rouillage nécessite à la fois de l'eau et de l'oxygène. Les méthodes barrières (peinture, huile) les empêchent d'accéder au métal ; la galvanisation offre également une protection sacrificielle, car le zinc plus réactif corrode à la place du fer.
- Les alliages sont plus durs que les métaux purs car les atomes de tailles différentes empêchent les couches d'ions de glisser les unes sur les autres.
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.