Le scandium (Z = 21)

Métal de transition considéré comme faisant partie des terres raresL'appellation "terres rares" désigne un groupe de 17 métaux aux propriétés assez voisines, comprenant le scandium, l'yttrium et l'ensemble des 15 lanthanides (lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, prométhium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, et lutécium). Considérés comme des métaux stratégiques, ils se sont imposés dans le secteur des hautes technologies., le scandium, bien que disséminé dans toute la croûte terrestre, ne se trouve concentré que dans de rares minéraux (euxénite, gadolinite, et surtout thortveitite), que l'on trouve notamment en Scandinavie et au nord de la Russie. On lui connait 25 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., mais seul le scandium 45 (45Sc) est stable, raison pour laquelle on ne trouve que ce dernier dans la nature.

Origine du scandium

Le scandium est synthétisé lors d'événements cataclysmiques, comme l'explosion d'étoiles massives arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ou la coalescence de deux étoiles à neutrons (kilonova). Il s'en formerait également lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

Le scandium a été découvert en 1879 grâce à l'analyse spectrale, par le chimiste suédois Lars Fredrik Nilson (1840-1899), qui le nomma ainsi en référence à la Scandinavie.

Lars Fredrik Nilson
Lars Fredrik Nilson,
par Otto Petterson

Le chimiste russe Dmitri Mendeleïev (1834-1907), célèbre pour sa classification périodique des éléments, avait prédit les propriétés de ce nouvel élément (qu'il appelait ekabore) dès 1869. Le chimiste suédois Per Teodor Cleve démontre peu de temps après sa découverte que le scandium n'est autre que l'ekabore prophétisé par Mendeleïev.
Difficile à extraire, il faut attendre 1937 pour que l'on réussisse à obtenir des quantités significatives de ce métal, et 1960 pour qu'une livre (un peu moins de 500 g) de scandium pur soit produite.

Propriétés du scandium

Le scandium est un métal mou, léger (sa masse volumique est d'environ 3 g/cm3), présentant un aspect blanc argenté !. Au contact de l'air, il prend un aspect rose ou jaunâtre. Sa température de fusion, relativement élevée, est de 1541°C.

Production industrielle du scandium

Son obtention se fait en plusieurs étapes : d'abord extrait de minerais sous forme d'oxyde de scandium (Sc2O3), il est ensuite transformé en fluorure de scandium (ScF3), puis réduit en scandium métallique (Sc) par du calcium (ce dernier cède en effet facilement des électrons), le tout sous atmosphère inerte afin d'éviter que le scandium ne soit à nouveau oxydé.
La production mondiale de scandium ne s'élève qu'à une dizaine de tonnes par an, ce qui explique son coût très élevé (de l'ordre de 100 Euros le gramme). Ses principaux producteurs sont la Chine, le Kazakhstan, l'Ukraine et la Russie.

Quelques exemples d'utilisation du scandium

- En raison de son effet durcissant, le scandium forme avec l'aluminium des alliages légers et résistants utilisés en aéronautique (avions de chasse). Les Russes en particulier en font grand usage dans le domaine militaire.

- Le scandium est parfois utilisé dans le matériel de sport haut de gamme, en particulier pour fabriquer des cadres de vélos et des battes de base-ball (dont il améliore l'élasticité).

- Il est employé dans certaines lampes halogènes, sous forme d'iodure de scandium, car il permet d'obtenir une lumière proche de la lumière naturelle, ce qui peut s'avérer utile sur les plateaux de tournage de films.

- Combiné à certaines molécules organiques, il forme un matériau poreux qui pourrait à l'avenir être utilisé pour stocker de l'hydrogène.

C'est peu, mais il va falloir nous en contenter.





Le titane (Z = 22)

Deuxième métal de transition, le titane occupe la neuvième place en terme d'abondance dans la croûte terrestre. Il possède 26 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., connus, parmi lesquels cinq sont stables : le titane 46 (46Ti), pour 8,2 %, le titane 47 (47Ti), pour 7,4 %, le titane 48 (48Ti), pour 73,7 %, le titane 49 (49Ti), pour 5,4 % et le titane 50 (50Ti) pour 5,2 %.

Origine du titane

Le titane est synthétisé dans le coeur des vieilles étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivées au stade de la fusion du silicium, ce qui signifie qu'il ne leur reste que quelques heures à "vivre". La température centrale atteint alors trois à quatre milliards de kelvins, et les photons gammas produits lors des réactions nucléaires sont tellement énergétiques qu'ils parviennent à briser des noyaux complexes : on parle de réactions de photodissociation. C'est ainsi que sous l'action de ces photons, certains noyaux de silicium (formés lors de la fusion de l'oxygène) éjectent des particules alpha (noyaux d'hélium) :

28Si + rayons gamma --> 24Mg + 4He

Ces particules alpha sont ensuite réabsorbées par d'autres noyaux de silicium, produisant successivement du soufre 32, de l'argon 36, du calcium 40, du titane 44 (radio-isotope le plus stable, avec une demi-vie de 63 ans), ainsi que d'autres éléments, selon le mécanisme suivant :

28Si + 4He ---> 32S + rayons gammas

32S + 4He ---> 36Ar + rayons gammas

36Ar + 4He ---> 40Ca + rayons gammas

40Ca + 4He ---> 44Ti + rayons gammas

Du titane est également synthétisé lors de l'explosion d'étoiles massives arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ou lors de l'explosion de naines blanches (supernova de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

Le titane a été découvert en plusieurs étapes. En 1791, le pasteur et minéralogiste britanique William Gregor (1761-1794) réussit à extraire l'oxyde de titane contenu dans minerai appelé ilménite (constitué d'un mélange d'oxyde de fer et de titane). En 1795, le chimiste et minéralogiste prussien Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) conclut à son tour à l'existence de ce nouvel élément, auquel il donne le nom de titane, par référence aux Titans de la mythologie grecque.

Martin Heinrich Klaproth
Martin Heinrich Klaproth,
par Ambroise Tardieu

Il faut dire que Klaproth n'est pas le premier venu : il découvre l'oxyde d'uranium (le métal pur sera isolé plus tard), il soupçonne la présence d'un nouvel élément dans le zircon (auquel il donne le nom de zirconium), isole le chrome à peu près en même temps que Louis-Nicolas Vauquelin (mais indépendamment de ce dernier), nomme l'élément tellure, invente le four à raclette (non, là c'est juste pour voir si vous suivez), et j'en passe...
Pour en revenir à notre histoire, le chimiste suédois Berzélius parvient finalement à isoler le titane sous forme métallique en 1825, mais il faut attendre l'année 1910 pour que l'on réussisse à produire du titane pur à 99 %.

Propriétés du titane

Métal à la fois léger (sa masse volumique est de 4,5 g/cm3), dur et solide, le titane !. présente de nombreux atouts : il se recouvre d'une pellicule d'oyde imperméable, ce qui lui permet de résister à la corrosion, il n'est pas toxique, ne provoque pas d'allergies, et supporte aussi bien le froid que la chaleur (sa température de fusion est de 1668°C).

Production industrielle du titane

Plutôt abondant dans la croûte terrestre (nous avons vu qu'il occupe la neuvième place), l'en extraire demande toutefois beaucoup d'énergie, ce qui explique son coût relativement élevé (environ 5 €/kg). Avec le "procédé Kroll", l'obtention du titane se fait en deux étapes. Dans un premier temps, un mélange d'oxyde de titane, de carbone et de dichlore est porté à 800°C sous atmosphère inerte, déclanchant la réaction suivante :

TiO2 + 2 C + 2 Cl2 (gazeux) ---> TiCl4 (gazeux) + 2 CO (gazeux)

Après condensation (et purification) du tétrachlorure de titane, la seconde étape consiste à réduire ce dernier (retirer le chlore) grâce au magnésium, métal très réducteur :

TiCl4 (gazeux) + Mg (liquide) ---> 2 MgCl2 (lisuide) + Ti

Le titane ainsi obtenu présente une structure poreuse, évoquant un peu celle d'une éponge, ce qui lui vaut le qualificatif d' "éponge de titane". Différentes techniques permettent ensuite d'obtenir du titane pur, mais nous laisserons cela de côté.
Annuellement, ce sont près de 200 000 tonnes de titane qui sont produites au niveau mondial, la Chine arrivant bien entendu en tête, suivie du Japon et de la Russie.

Quelques exemples d'utilisation du titane

- La majeure partie (95 %) de la production mondiale de titane sert à fabriquer du dioxyde de titane (TiO2), qui est le pigment blanc le plus utilisé, en raison de son pouvoir opacifiant élevé. On trouve ce dernier non seulement dans la peinture, mais également dans le papier (afin de le rendre non transparent) et les matières plastiques, dans le dentifrice, dans certains fromages et pâtisseries (additif E 171), etc...

Blanc de titane
Blanc de titane

- Le dioxyde de titane est également présent dans les crèmes solaires, car il filtre les rayons ultra-violets provenant du Soleil.

- Léger, solide et présentant une bonne résistance à la chaleur, le titane est largement employé dans le domaine de l'aéronautique : missiles, réacteurs et pièces d'avions, tant militaires que civils. Dans le domaine de l'aérospatial, on trouve du titane dans le moteur Vulcain du lanceur Ariane 5, ainsi que que dans les ailettes des lanceurs Falcon 9, pour ne prendre que ces deux exemples.
L'avion furtif Lockheed SR-71 Blackbird, utilisé de 1968 à 1990, pouvait atteindre 3530 km/h à plus de 20 000 m d'altitude (soit mach 3,2). A cette vitesse, en raison des frottements de l'air, la température de son fuselage dépassait parfois 220°C, d'où la nécessité d'employer le titane, plus résistant que l'aluminium (tout en étant à peine plus lourd).

Lockheed SR-71 Blackbird
Lockheed SR-71 Blackbird
Crédit : USAF / Judson Brohmer

- Présentant une bonne résistance à l'oxydation, le titane n'est pas altéré par l'eau de mer, raison pour laquelle on l'utilise souvent pour fabriquer les arbres d'hélices de bateaux et de sous-marins. Certains sous-marins nucléaires russes ont même une coque entièrement en titane, ce qui leur permet de plonger à de plus grandes profondeurs.

- De façon plus marginale, le titane est également employé en bijouterie, pour fabriquer des outils, des montres...

Montre en titane
Montre en titane

- N'étant pas toxique et présentant une excellente biocompatibilité, le titane est utilisé pour fabriquer des piercings, des implants dentaires, des vis à os et des broches, des prothèses de hanches...

- Le nitrure de titane (TiN), céramique très dure, réfractaire (elle fond à 2930°C) et résistante à la corrosion, est employée comme revêtement de surface sur les outils présentant des arêtes tranchantes : forets, instruments de découpe...

Truc recouvert de nitrure de titane
Bidule recouvert de nitrure de titane

- Le tétrachlorure de titane est parfois employé comme fumigène.

Bon, il est temps de passer au vanadium...





Le vanadium (Z = 23)

Troisième métal de transition, le vanadium est un métal relativement rare, sa teneur dans la croûte terrestre n'étant que de 0,016 %. Il possède 26 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, mais seul l'un d'entre eux, le vanadium 51 (51V), est stable, raison pour laquelle il représente 99,75 % de tout le vanadium existant, les 0,25 % restant étant constitués de vanadium 50 (51V), très faiblement radioactif, avec une périodeLa période ou demi-vie d'un isotope radio-actif correspond à la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux de cet isotope se sont désintégrés. de 1,5 x 1017 ans (soit dix millions de fois l'âge de l'univers !).

Origine du vanadium

Du vanadium est produit lors de l'explosion d'étoiles massives arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ainsi que (et même principalement) lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

Tels Monsieur Jourdain faisant de la prose sans le savoir, les forgerons faisaient usage du vanadium depuis le Moyen-Âge, et cela sans le savoir. On trouve en effet de faibles quantités de ce métal dans certains aciers, notamment ceux employés pour confectionner les lames dites de Damas, célèbres pour leur solidité et les fameux mofifs dont elles sont ornées, impossibles à obtenir sans la présence de vanadium (à l'état de traces).

Lame en acier de Damas
Lame en acier de Damas
Crédit : TC Blades

La découverte du vanadium ne s'est pas faite en un jour. En 1801, le minéralogiste espagnol Andres Manuel del Rio (1764-1849) découvre la vanadinite (qu'il appelle "sable brun"), de laquelle il extrait l'oxyde d'un métal inconnu. Il pense toutefois (à tort) que le métal en question n'est autre que le chrome. Trente ans plus tard (en 1831), le chimiste suédois Nils Gabriel Sefström (1787-1845) (re)découvre le vanadium en analysant un minerai de fer provenant de Taberg (c'est en Suède). Il le nomme ainsi en référence à Vanadis, déesse scandinave de la beauté et de la fertilité (plus connue sous le nom de Freyja), le vanadium étant à l'origine de nombreux composés chimiques colorés. Il faut cependant attendre l'année 1867 pour que le chimiste britanique Henry Enfield Roscoe (1833-1915) parvienne enfin à obtenir du vanadium métallique relativement pur, les précédents échantillons étant généralement contaminés par d'autres éléments (en particulier l'oxygène et l'azote).

Propriétés du vanadium

Métal brillant (blanc argenté) !, dur et ductile (il peut facilement être étiré sans se rompre), le vanadium offre également l'avantage de présenter une bonne résistance à la corrosion, puisqu'il n'est attaqué ni par l'acide chlorhydrique, ni par l'acide sulfurique. Doté d'une masse volumique d'environ 6 g/cm3, sa température de fusion est de 1910°C. Sous atmosphère d'oxygène, entre 560 et 640°C, le vanadium se recouvre d'une couche compacte et imperméable constituée d'un mélange d'oxydes. Il possède en effet de nombreux états d'oxydation, ce qui se traduit, en solution, par un large éventail de couleurs.

Etats d'oxydation du vanadium
Différents états d'oxydation du vanadium
Crédit : Steffen Kristensen

Le vanadium est depuis peu considéré comme un oligo-élément indispensable au bon fonctionnement de notre organisme, bien que son mode d'action soit encore mal compris. Il interviendrait notamment dans nombre de réactions enzymatiques, et permettrait de limiter les risques de diabète de type 2. Malheureusement, le vanadium voit sa toxicité augmenter au fur et à mesure qu'il s'accumule dans l'organisme, ce qui rend son usage médicamenteux problématique, pour ne pas dire rédhibitoire, dès lors qu'il s'agit traitements à long terme.

Production industrielle du vanadium

Le vanadium est un sous-produit du traitement de certains minerais, en particulier des titanomagnétites, espèces minérales riches en fer et en titane pouvant contenir jusquà 3 % d'oxyde de vanadium (V2O5). Selon que le minerai exploité est plus ou moins riche en vanadium, les techniques d'extraction ne sont pas les mêmes, c'est pourquoi nous n'entrerons pas dans les détails (pour être honnête j'ai un peu la flemme de me plonger là-dedans).
En 2019, 73 000 tonnes de vanadium ont été produites au niveau mondial, la Chine occupant la pole position, suivie par la Russie, l'Afrique du Sud et le Brésil.

Quelques exemples d'utilisation du vanadium

- Près de 80 % de la production de vanadium sert à fabriquer du ferro-vanadium, qui est ensuite combiné aux aciers afin d'améliorer leurs performances.

- Les aciers au vanadium, très durs (moins durs toutefois que le carbure de tungstène), sont utilisés pour fabriquer des mèches de perceuses, des pièces de machines-outils, divers types de clés, des pinces, des instruments chirurgicaux...

Clé en chrome-vanadium
Clé en chrome-vanadium

- Les moteurs de jets (avions) ainsi que certaines prothèses orthopédiques et implants dentaires font usage d'alliages à base d'aluminium, de titane et de vanadium.

- La synthèse industrielle de l'acide sulfurique se fait majoritairement par "procédé de contact", qui fait appel à un catalyseur contenant de l'oxyde de vanadium (V2O5).

- Le vanadium est utilisé dans certaines batteries, notamment les batteries stationnaires destinées à pallier les intermittences inhérentes aux sources d'énergie telles que le photovoltaïque et l'éolien.





Le chrome (Z = 24)

Métal de transition relativement peu abondant dans la croûte terrestre (sans être rare non plus), le chrome possède 26 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., parmi lesquels quatre sont stables : le chrome 50 (50Cr), le chrome 52 (52Cr), le chrome 53 (53Cr) et le chrome 54 (54Cr), le plus abondant étant de loin le chrome 52 (près de 84%).

Origine du chrome

Le chrome est synthétisé dans le coeur des vieilles étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivées au stade de la fusion du silicium, ce qui signifie qu'il ne leur reste que quelques heures à "vivre". La température centrale atteint alors trois à quatre milliards de kelvins, et les photons gammas produits lors des réactions nucléaires sont tellement énergétiques qu'ils parviennent à briser des noyaux complexes : on parle de réactions de photodissociation. C'est ainsi que sous l'action de ces photons, certains noyaux de silicium (formés lors de la fusion de l'oxygène) éjectent des particules alpha (noyaux d'hélium) :

28Si + rayons gamma --> 24Mg + 4He

Ces particules alpha sont ensuite réabsorbées par d'autres noyaux de silicium, induisant une chaîne de réactions produisant successivement du soufre 32, de l'argon 36, du calcium 40, du titane 44, du chrome 48, ainsi que d'autres éléments, selon le mécanisme suivant :

28Si + 4He ---> 32S + rayons gammas

32S + 4He ---> 36Ar + rayons gammas

36Ar + 4He ---> 40Ca + rayons gammas

40Ca + 4He ---> 44Ti + rayons gammas

44Ti + 4He ---> 48Cr + rayons gammas

Toutefois, le chrome 48 étant instable, celui que l'on trouve sur Terre est essentiellement produit lors de l'explosion d'étoiles massives arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ainsi que lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

On sait que la Chine a fait usage du chrome depuis l'Antiquité, puisque l'on a retrouvé dans le mausolée de l'empereur Qin Shi Huang (259-210 av J.-C.) des épées en bronze recouvertes de ce métal, ce qui leur a permis de traverser les siècles sans souffrir de la corrosion. En Occident, il faut attendre le début du XVIII siècle avant que son emploi ne commence à se répandre. En 1770, le zoologiste et botaniste allemand Peter Simon Pallas (1741-1811) découvre dans les montagnes de l'Oural un minerai de plomb de couleur rouge, la crocoïte (de formule PbCr2O4), dont sera tiré un pigment jaune (le "jaune de chrome") qui fera rapidement le bonheur des artistes peintres. Le chrome verra d'ailleurs là son principal usage durant le XVIIIè siècle.

Echantillon de crocoïte
Echantillon de crocoïte
Crédit : Randolph Black

En 1798, le chimiste et pharmacien français Louis-Nicolas Vauquelin (1763-1829) parvient à obtenir du chrome métallique en portant à haute température un mélange d'oxyde de chrome (Cr2O3), extrait de la crocoïte, et de carbone. La réaction est la suivante :

2 Cr2O3 + 3 C ---> 4 Cr + 3 CO2

Vers le milieu du XIXè siècle, les tanneries feront grand usage du chrome, car ce dernier permet d'améliorer l'imperméabilité des peaux traitées. Quant au fameux placage au chrome, il apparaît en 1848, mais ne se développe qu'à partir des années 1920, devenant alors rapidement omniprésent : pare-chocs et ailerons de voitures, sorties d'échappement, grille-pain, jouets, parties de meubles, et j'en passe...

Pare-chocs chromé
Pare-chocs chromé

Propriétés du chrome

Métal présentant un éclat blanc légèrement bleuté, le chrome est un métal extrêmement dur, dont la température de fusion est de 1905°C. A température ambiante, il ne réagit ni avec l'oxygène, ni avec l'eau, ce qui lui confère une excellente résistance à la corrosion. Lorsqu'il est chauffé au rouge (au delà de 800°C), il donne naissance à un oxyde très stable, Cr2O3, de couleur verte.

Fragment de chrome
Fragment de chrome
Crédit : Tomihahndorf

Le chrome présente plusieurs états d'oxydation, offrant au chimiste une grande diversité de composés présentant une vaste palette de couleurs, ce qui explique son nom, tiré du grec "khrôma" signifiant "couleur". Les états d'oxydation les plus répandus sont II (ou +2), III (chrome trivalent) et VI (chrome hexavalent). Pour rappel, plus le nombre d'oxydation est élévé, plus l'élément concerné (ici le chrome) est oxydé (une oxydation correspond à une "perte" d'électrons).

Considéré comme un oligo-élément, le chrome trivalent (de loin le plus stable) intervient dans le métabolisme des glucides et des lipides, encore que l'on ne comprenne pas vraiment son mode d'action. Quant au chrome hexavalent, particulièrment nocif, il peut provoquer des dommages au foie et aux reins, des éruptions cutanées, des ulcères d'estomac, des problèmes respiratoires, voire des cancers du poumons. Ce sujet constitue d'ailleurs le thème central du film culte Erin Brockovich, seule contre tous, où il est justement question d'eau polluée par des rejets toxiques contenant du chrome hexavalent. A voir absolument, surtout si vous êtes fan de Julia Roberts, particulièrement convaincante dans ce rôle de redresseuse de torts.

Production industrielle du chrome

La chromite, de formule FeCr2O4 (ou FeO.Cr2O3), est le principal minerai dont on extrait le chrome.

Chromite
Morceau de chromite
Crédit : Weinrich Minerals

Les plus grandes réserves au monde se trouvent en Afrique du Sud, plus précisément dans le gigantesque Complexe du Bushveld, avec plus de trois milliards de tonnes de minerais. En 2019, la production mondiale de chromite était de 34 millions de tonnes, dont 20 millions de tonnes assurées par la seule Afrique du Sud. Ce n'est d'ailleurs pas le chrome qui fait l'objet d'une telle exploitation, mais les "platinoïdes" (famille de métaux à laquelle appartiennent le platine, le paladium, le rhodium, le ruthénium, l'iridium et l'osmium), le chrome n'étant qu'un co-produit de cette exploitation.

Bushveld
Le Bushveld (en noir sur la carte)

Viennent ensuite le Kazakhstan (avec 4800 tonnes de chromite en 2019), l'Inde, la Finlande et la Turquie. Pour une fois, la Chine est totalement absente de ce classement.

La majeure partie de la chromite est transformée en ferrochromes (FeCr) plus ou moins purs, contenant de 50 à 70 % de chrome (en masse). Ils s'obtiennent en portant à température élevée un mélange de chromite et de carbone, selon le mécanisme suivant :

FeO.Cr2O3 + 4 C ---> 2 Cr + Fe + 4 CO

Depuis 2012, la Chine (la revoilà !) est devenue le premier producteur mondial de ferrochromes, l'Afrique du Sud ayant des problèmes chroniques d'approvisionnement en électricité, ce qui limite fortement sa production.

Quant au chrome métal, son obtention à partir de la chromite s'effectue en plusieurs étapes. Généralement, la toute première consiste à porter à haute température un mélange de chromite et de carbonate de potassium (K2CO3), ce qui permet de se débarrasser de l'oxyde de fer et d'obtenir du chromate de potassium (K2CrO3).
Ce dernier, après avoir été isolé, est ensuite porté à haute température en présence de carbone, afin d'obtenir de l'oxyde de chrome :

4 K2CrO3 + 2 C ---> K2CO3 + 2 Cr2O3 + K2O + 2 CO

Une fois purifié, l'oxyde de chrome est mélangé à de la poudre d'aluminium, le chrome métal étant obtenu par aluminothermie :

Cr2O3 + 2 Al ---> 2 Cr + Al2O3

En 2017, la production mondiale de chrome métal s'élevait à 57 000 tonnes, les principaux fournisseurs étant la Russie, la Chine et la France (avec 12 000 tonnes, produites à Marly-lez-Valenciennes).

Quelques exemples d'utilisation du chrome

Environ de 90 % de la chromite est transformée en ferrochrome, qui sert à son tour (à près de 80 %) à fabriquer des aciers inoxydables.
La résistance à la corrosion de ces aciers (appelés inox) est due à l'ajout de chrome (au moins 10,5 %), qui forme en surface une couche d'oxyde de chrome (Cr2O3) résistant à l'action combinée de l'eau et de l'oxygène, empêchant ainsi l'acier de rouiller.

- Les aciers au chrome (qui en contiennent de 12 à 27 %) sont fréquemment utilisés pour les instruments chirurgicaux et les ustensiles de cuisine de qualité standard (collectivités). La flèche du célèbre Chrysler Building (New York) est plaquée d'un acier inoxydable appelé Nirosta, qui contient 10,5 % de chrome.

Chrysler Building
La flèche du Chrysler Building

- Les aciers au chrome-nickel, bien que plus coûteux, représentent un peu plus de 50 % de la production mondiale d'aciers. La présence de nickel améliore en effet les performances mécaniques de l'acier, qui supporte alors mieux les déformations. On retrouve généralement ce type d'alliage dans les couverts de table de qualité (acier 18-10, contenant 18 % de chrome et 10 % de nickel), dans certains blindages (coffres-forts, chars d'assaut)... Dans les aciers au chrome-manganèse, le manganèse remplace en partie le nickel afin de limiter les coûts de fabrication.

- Le chrome intervient également dans la composition de certains superalliagesUn superalliage est un alliage présentant une très grande résistance aux contraintes mécaniques à haute température et haute pression, ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion. Ils sont le plus souvent constitués de fer, de nickel et de cobalt., en particulier ceux entrant dans la composition d'outils permettant d'usiner l'acier.

Le chromage consiste à recouvrir une pièce en métal (ou même en plastique) d'une fine couche de chrome. On distingue habituellement deux type de chromage :
- le chromage décoratif, d'une épaisseur de l'ordre de 0,5 micron, confère un aspect brillant aux machins qu'il recouvre (pare-choc, grille-pain, poignée de porte, etc...),
- le chromage dur, dont l'épaisseur peut atteindre quelques dixièmes de millimètres, est utilisé comme revêtement anti-usure, notamment dans les systèmes où il y des frottements (chemises de piston, pièces de réacteurs, arbres de transmission de machines-outils...).

- Le carbure de chrome (Cr3C2) peut être employé pour améliorer les performances des outils de coupe (fraises, forets, alésoirs...). Il intervient alors en tant qu'additif dans d'autres carbures (comme le carbure de tungstène) afin d'en augmenter la dureté.

- Le dioxyde de chrome (CrO2) est un matériau solide magnétique (de synthèse), ce qui lui vaut d'être utilisé pour stocker des données sur bandes magnétiques.

- Le chrome adopte, sous forme de chromates ou d'oxydes, toute une palette de couleurs. Bien que toxique, le jaune de chrome (chromate de plomb) est un pigment très apprécié en peinture.

Jaune de chrome
Jaune de chrome

Certains oxydes de chromes (comme Cr2O3) permettent de donner une couleur verte au verre ou aux céramiques.

Vert de chrome
Vert de chrome

- Le dichromate de potassium (K2Cr2O7), solide de couleur orangée, est utilisé (entre autres) dans les éthylotests (alcootests) chimiques. Pour faire simple, en présence d'éthanol, les ions chrome VI contenus dans le dichromate de potassium se transforment en ions chrome III, de couleur verte, ce qui permet de confondre les contrevenants. Pour la petite histoire, le record du monde d'alcoolémie est détenu depuis le 24 juillet 2013 par un Polonais, qui a été retrouvé totalement ivre dans un fossé en bord de route, avec un taux d'alcoolémie de 13,7 g par litre de sang ! Il était donc, d'un point de vue médical, théoriquement mort.

Dichromate de potassium
Dichromate de potassium

Voilà...





Le manganèse (Z = 25)

Métal de transition, le manganèse est "relativement" abondant dans la croûte terrestre, sa teneur moyenne étant de l'ordre de 0,1% (pourcentage massique). Il possède 26 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons., mais un seul d'entre eux est stable, le manganèse 55 (55Mn).

Origine du manganèse

On pense que près de 80% du manganèse est produit lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse a dépassé la limite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires), les 20% restants étant synthétisés lors de l'explosion d'étoiles massives arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II).

Un peu d'histoire

Le manganèse tire son nom du latin "magnesia nigra" servant à désigner la magnésie noire (dioxyde de manganèse), par opposition à la magnésie blanche qui correspond au carbonate de magnésium (ou à l'oxyde de magnésium), ce qui entraîne parfois une confusion entre ces deux éléments chimique.

En 1774, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele suggère que la magnésie noire contient un nouvel élément chimique, que son collègue Johan Gottlieb Gahn parviendra à isoler cette même année.

Johan Gottlieb Gahn
Johan Gottlieb Gahn

C'est un chimiste français, Louis-Bernard Guyton-Morveau, qui nommera en 1875 cet élément "manganèse", en référence à la Magnésie, ancienne région grecque située à l'ouest de la Thessalie, connue pour ses gisements de talc (variété de silicate de magnésium) depuis l'Antiquité.

L'actuelle Magnésie
L'actuelle Magnésie

Propriétés du manganèse

Le manganèse pur est un métal présentant un aspect grisâtre très cassant, ayant une densité de 7,44 (pour sa forme cristalline la plus répendue) et une température de fusion de 1246°C. A température ambiante, il réagit très lentement avec l'oxygène de l'air, mais lorsqu'il est réduit à l'état de poudre très fine, il s'enflammme spontanément. Il est d'autre par facilement attaqué par les acides, même lorsque ces derniers sont dilués.

Manganèse
Manganèse sous forme métallique
Crédit : W.Oelen

Hormis l'état métallique, le manganèse connait plusieurs états d'oxydation différents (dont cinq d'entre eux sont très communs), donnant naissance à de nombreux composés chimiques présentant une vaste palette de couleurs : rose (chlorure de manganèse II), rougeâtre (trifluorure de manganèse), gris-noir (dioxyde de manganèse), bleu (ions manganite), vert (ions manganate), violet (ions permanganate)...

Chlorure de manganèse
Chlorure de manganèse

Notre corps contient un peu de manganèse (entre 10 et 20 mg), ce dernier étant majoritairement stocké dans les os. Outre sa participation à la formation des tissus conjonctifs (qui servent de soutien aux autres tissus du corps), le manganèse protège nos cellules contre le stress oxydatif en les prévenant des dommages causés par les radicaux libres, et cela grâce une enzyme, la superoxyde dismutase.

Production industrielle du manganèse

Le manganèse, généralement associé à des minerais de fer, n'existe pas à l'état natif. On le trouve dans de nombreux minéraux, comme la pyrolusite, le psilomélane, la rhodochrosite... mais cela ne vous dit sans doute pas grand chose, et à moi pas davantage, donc passons.
En 2022, la production mondiale de manganèse "contenu" (c'est-à-dire non extrait du minerai, ce dernier étant souvent employé tel quel) s'élevait à environ 22 millions de tonnes, les principaux producteurs de minerais à forte teneur (supérieure à 35%) étant l'Afrique du Sud et le Gabon (mine de Moanda. C'est d'ailleurs en Afrique du Sud que se trouve le plus gros gisement de manganèse de la planète, situé dans le désert du Kalahari. Quand au maganèse pur (métal), il est essentiellement produit par la Chine, qui assure à elle seule près de 90% de la production mondiale (soit environ 600 000 tonnes par an).
Et les fameux nodules polymétalliques dans tout ça ? Objets d'une véritable folie au milieu des années 1970, ils attendent toujours, tapis au fond des oceans. Contenant jusqu'à 30% de manganèse, ils représentent (en principe) une source inépuisable de richesses, et suscitent alors beaucoup d'engouement. Le milliardaire excentrique Howard Hughes affrétera même un navire de forage, le USNS Glomar Explorer, dédié exclusivement à leur recherche. En réalité, il s'agit d'une manipulation orchestrée par la CIA, dont le véritable objectif consiste à récupérer dans le plus grand secret l'épave d'un sous-marin soviétique, le K-129, qui avait coulé dans le Pacifique en 1968. Quant aux nodules de manganèse, bien qu'ils constituent une réserve de plus de 2 milliards de tonnes selon les estimations, leur exploitation n'est guère rentable au vu des difficultés rencontrées : fonds sous-marin présentant un relief accidenté, météo capricieuse (les gidements se trouvent souvent dans des zones cycloniques), corrosion du matériel par l'eau de mer... Sans parler de l'impact sur la faune et la flore locales.

Nodule de manganèse
Nodule de manganèse
Crédit : Hannes Grobe

Quelques exemples d'utilisation du manganèse

Le manganèse est, après le fer, l'aluminium et le cuivre, le quatrième métal le plus utilisé au monde. A elle seule, l'industrie de l'acier consomme près de 90% de la production mondiale de ce métal, qui est aussi utilisé pour former des alliages non ferreux, notamment avec l'aluminium et le cuivre. Le manganèse connaît également bien d'autres usages, mais à une échelle beaucoup plus modeste.

- L'ajout de manganèse dans l'acier rend les propriétés mécaniques de ce dernier : plus grande dûreté, meilleure résistance à la traction, aux chocs, ainsi qu'à la corrosion. Pour cette raison, ces alliages sont employés dans la construction de voies ferrées (rails et aiguillages), de barreaux de prison (qui sont alors trop durs pour être limés), de coffres forts, de coques de bateaux, de tubes d'oléoducs... ainsi que dans le secteur automobile, leur résistance élevée permettant d'alléger les véhicules.

Rails
Les rails contiennent environ 1% de manganèse
Crédit : Gianluca C

- Le manganèse est utilisé dans les aciéries lors de l'affinage de la fonte. Il permet, en complément du silicium, de désoxyder cette dernière et surtout de la désulfurer, ce qui la rend beaucoup moins cassante.

- Il augmente la rigidité de l'aluminium, notamment dans les boites métalliques (canettes) pour boissons.

- Les alliages bronze-manganése présentent une grande solidité ainsi qu'une excellente résistance à la corrosion, idéal pour les hélices et gouvernails de bateaux qui doivent résister à l'eau de mer.

- Mélangé à du graphite, le dioxyde de manganèse (MnO2) constitue la cathode (borne positive) des piles salines ou alcalines, ainsi que des piles ou batteries lithium-manganèse.

Pile alcaline
Pile alcaline

- Le dioxyde de manganèse est utilisé comme pigment dans l'industrie verrière, avec une palette de couleurs allant du violet au noir selon sa concentration. Il est à noter que son emploi ne date pas d'hier puisque les pigments noirs étaient largement utilisés dans l'art pariétal (peintures rupestres) qui, outre le charbon de bois et l'os calciné, faisait parfois usage d'oxyde de manganèse, comme ci-dessous dans le Grand taureau noir de Lascaux.

Grand taureau noir de Lascaux
Grand taureau noir de Lascaux

- En laboratoire, le dioxyde de manganèse permet d'obtenir du dioxygène en décomposant le chlorate de potassium (KClO3) ou le peroxyde d'hydrogène (H2O2).

- Le permanganate de potassium est un composé ionique de formule KMnO4, très soluble dans l'eau. Intervenant comme oxydant dans nombre de réactions chimiques, il en est également utilisé dans le domaine de la santé comme antiseptique (en solution, à 0,5 g/L), ainsi que dans le traitement de l'eau (il permet d'oxyder le fer et le manganèse contenus dans les eaux souterraines).

permanganate de potassium
Cristaux de permanganate de potassium


permanganate de potassium
Diffusion du permanganate de potassium
dans l'eau






Le fer (Z = 26)

Le fer possède 28 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus. Toutefois, seuls quatre d'entre eux sont stables : le fer 54 (54Fe), le fer 56 (56Fe), le fer 57 (57Fe) et le fer 58 (58Fe), le plus abondant étant de loin le fer 56 (91,7% de tout le fer).
Très abondant dans la croûte terrestre, dont il représente environ 5% de la masse, le fer occupe la quatrième place. Il est également le sixième élément le plus abondant dans l'Univers

Origine du fer

Le fer est synthétisé dans le coeur des vieilles étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivées au stade de la fusion du silicium, ce qui signifie qu'il ne leur reste que quelques heures à "vivre". La température centrale atteint alors trois à quatre milliards de kelvins, et les photons gammas produits lors des réactions nucléaires sont tellement énergétiques qu'ils parviennent à briser des noyaux complexes : on parle de réactions de photodissociation. C'est ainsi que sous l'action de ces photons, certains noyaux de silicium (formés lors de la fusion de l'oxygène) éjectent des particules alpha (noyaux d'hélium) :

28Si + rayons gamma --> 24Mg + 4He

Ces particules alpha sont ensuite réabsorbées par d'autres noyaux de silicium, induisant une chaîne de réactions produisant successivement du soufre 32, de l'argon 36, du calcium 40, du titane 44, du chrome 48, du fer 52, et enfin du nickel 56, selon le mécanisme suivant :

28Si + 4He ---> 32S + rayons gammas

32S + 4He ---> 36Ar + rayons gammas

36Ar + 4He ---> 40Ca + rayons gammas

40Ca + 4He ---> 44Ti + rayons gammas

44Ti + 4He ---> 48Cr + rayons gammas

48Cr + 4He ---> 52Fe + rayons gammas

52Fe + 4He ---> 56Ni + rayons gammas

La chaîne de réactions s'arrête là, car le nickel 56 et l'hélium ne peuvent pas fusionner : non seulement cela ne produirait aucune énergie, mais cela en consommerait. Par contre, le nickel 56 étant instable, il subit deux désintégrations ß+Lors d'une désintégration ß+, un proton (p) se transforme en neutron (n) avec émission d'un positron (e+) (l'équivalent d'un électron, mais chargé positivement) et d'un neutrino (ve) :
p+ ---> n + e+ + ve
Cette transformation n'affecte donc pas le nombre de masse de l'atome concerné, mais augmente de 1 son n° atomique, ce qui le fait avancer d'une case dans la classification périodique.
successives, qui aboutissent à la formation de fer 56, élément le plus stable de la classification périodique :

56Ni (demi-vie = 6 jours) ---> 56Co (demi-vie = 77 jours) ---> 56Fe (stable)

En raison de cette stabilité, la fusion du fer est impossible car elle est endothermique, c'est-à-dire qu'elle nécéssiterait un apport d'énergie pour avoir lieu. Au coeur de l'étoile, la pression de radiation due aux réactions de fusion devient dès lors insuffisante pour contrebalancer l'effet de la gravité qui tend à comprimer l'étoile. Le coeur de cette dernière va donc littéralement imploser, initiant une série de processus donnant naissance à une supernova de type II (dite à "effondrement de coeur"), au cours de laquelle un ensemble de réactions nucléaires va produire des éléments au-delà du fer : on appelle cela la nucléosynthèse explosive.

Voilà pour les supernovae de type II. Ces dernières ne sont toutefois à l'origine que d'une partie du fer (environ un tiers) présent dans l'Univers. Le reste (les deux autres tiers) est synthétisé lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse finit par atteindre la limite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires), en raison d'un apport extérieur de matière provenant d'une autre étoile.

Un peu d'histoire

Certains métaux ont joué un rôle tellement important dans le développement de notre civilisation qu'ils ont donné leur nom à une période de l'histoire. Tel est le cas du fer dont l'usage, attesté depuis environ 1 200 av J.-C. en Anatolie, s'est développé en Europe de l'Ouest et du Nord à partir de 800 av J.-C., marquant ainsi le début de ce que l'on appelle l'âge du fer, qui s'étend en gros de 800 av J.-C. à 50 av J.-C.. Cela étant dit, des objets en fer remontant à l'âge du bronze (de 2 700 av J.-C. à 800 av J.-C.) semblent avoir été forgés à partir de fer d'origine météoritique, à l'instar de la fameuse dague trouvée dans la tombe du pharaon Toutankhamon (mort vers 1327 av J.-C.).

Dague de Toutankhamon
Dague de fer trouvée sur la momie de Toutankhamon
Crédit : Olaf Tausch

Plus anciens encore, des objets en fer non météoritique datés de 2500 av J.-C. ont été retrouvés en Anatolie centrale, également dans une tombe. Toutefois, selon certaines sources, la métallurgie de fer serait peut-être apparue (indépendamment) en Afrique subsaharienne. La question de son origine est donc loin d'être tranchée.
Durant l'âge du bronze, l'homme utilise déjà certains métaux tel que l'or, l'argent, le cuivre et l'étain, ces derniers existant à l'état natif (c'est-à-dire non combiné à d'autres éléments). Le fer au contraire doit être extrait de différents minerais, ce qui nécessite l'emploi de fours permettant d'atteindre des températures relativement élevées, obtenues en superposant des couches de charbon de bois et de minerais de fer. Ce type de four, appelé bas fourneau, sera utilisé jusqu'au Moyen Age. La production de fer se fait alors en une seule étape : on appelle cela le procédé direct.

Bas fourneau au Moyen Age
Bas fourneau au Moyen Age

Le fer ainsi obtenu permet non seulement de confectionner des armes plus solides, mais il contribue au développement de l'agriculture : les outils agricoles (charrues, haches, faux...) étant plus robustes, ils favorisent l'expansion des terres cultivables, et par conséquent l'essor démographique. Produit en petites quantités, il est cependant de piètre qualité car les bas fourneaux ne permettent pas de monter suffisamment en température (guère plus de 1 200°C). On en tire une masse pâteuse appelée loupe, qu'il faut marteler longuement afin de séparer le fer des scories provenant de la combustion. L'ordre cistercien n'aura de cesse d'améliorer cette technologie et jouera un rôle considérable dans sa diffusion à partir du XIè siècle. Les fours, de plus en plus grands, sont construits en pierres et produisent des loupes beaucoup trop grosses pour être martelées à la main. S'il faut en croire les archives c'est en 1135 qu'apparaissent, à l'abbaye de Clairvaux, les premiers marteaux mécaniques entrainés par la roue d'un moulin à eau. Dans certaines forges, les marteaux pourront peser jusqu'à 300 kg, avec une cadence de 120 coups à la minute ! Afin d'entretenir la combustion, il faut également disposer d'une soufflerie, actionnée elle aussi par l'énergie hydraulique. Bien que d'une grande efficacité, ce type de four présente un gros défaut : il faut régulièrement évacuer le laitier (scories provenant de la combustion), sans quoi l'aération se fait moins bien et le fer risque d'absorber trop de carbone, ce qui le rend beaucoup plus difficile à travailler.

Soufflerie de bas fourneau
Soufflerie actionnée par
l'énergie hydraulique.
Agricola, De re metallica - 1556

Au Moyen Age, l'emploi du fer s'étend à de nombreux domaines : il est utilisé notamment pour renforcer les charpentes, pour fabriquer les herses de châteaux forts, et s'avère incontournable en serrurerie. Il est également très présent sur les chantiers de construction des églises et des cathédrales gothiques, où de nombreuses tiges en fer (agrafes, tirants...) sont utilisées pour consolider les structures en pierres et maintenir les vitraux en place. Il faut cependant attendre le début du XVè siècle en Occident pour voir apparaître les tout premiers hauts-fourneaux (en Chine, cette innovation est connue depuis le Vè siècle). Associés à de puissants soufflets, ils permettent d'atteindre des températures plus élevées (environ 1 600°C) qu'avec les bas fourneaux et d'obtenir de la fonte à l'état liquide, qui permet de mouler facilement des objets tels que des marmittes, des plaques de cheminées, ou encore des boulets de canons. A partir de la Renaissance, la fonte favorisera également l'apparition d'éléments purement décoratifs (balcons, rampes d'escaliers, colonnettes de balustrades, etc...), contribuant ainsi au développement de la ferronnerie d'art, qui culminera au XVIIIè siècle avec le style baroque.

Boulet de canon en fonte
Boulet de canon en fonte
(fin XVè - XVIIè siècle ?)
Crédit : Birmingham Museums Trust, Tom Brindle

La fonte n'a toutefois pas les mêmes caractéristiques que le fer : riche en carbone (elle en contient plus de 2%), elle s'avère cassante et ne peut être forgée. Il faut donc l'affiner, c'est-à-dire retirer le carbone en excès afin de la transformer en fer, ce qui nécessite un second foyer : on appelle cela le procédé indirect puisqu'il faut maintenant deux étapes pour produire le fer. Pour ce que l'on en sait, cette technique aurait été élaborée en Wallonie (région francophone du sud de la Belgique) vers le milieu du XIVè siècle, avant de se diffuser dans le reste de l'Europe. L'idée est la suivante : la fonte est extraite du haut fourneau, puis grossièrement moulée sous forme de blocs appelés "gueuses". A l'aide de longs crochets (les "ringards"), les gueuses sont ensuite transférées dans le second foyer, où l'on envoie de grandes quantités d'air à l'aide de soufflets, ce qui provoque l'oxydation du carbone contenu dans la fonte. Cette opération présente cependant le même inconvénient que les bas fourneaux, à savoir que la loupe de fer ainsi produite doit être martelée afin de la débarasser des scories.

Bien entendu, la méthode va connaître de nombreuses évolutions par la suite. Dans un premier temps, le charbon de bois sera concurrencé par la houilleLa houille, autrefois appelée charbon de terre, est une roche sédimentaire contenant entre 75 et 90 % de carbone. Elle est employée comme combustible depuis le XIè siècle. (XVIIè siècle), mais cette dernière donne une fonte de mauvaise qualité, car elle contient souvent de petites quantités d'éléments indésirables tels que le soufre qui, contrairement au carbone, ne peut être oxydé par l'air : n'étant pas éliminé, il se retrouve donc dans le fer, qu'il fragile.
Au cours du XVIIIè siècle, l'utilisation du coke, obtenu par pyrolyseLa pyrolyse consiste à décomposer un matériau organique en le portant à haute température, mais en l'absence d'oxygène afin qu'il ne brûle pas. de la houille, va progressivement s'étendre. On attribue généralement son invention au métallurgiste anglais Dudd Dudley (un brevet est déposé en 1619), mais il n'y a pas de certitude à ce sujet. Toujours est-il que c'est la crainte de manquer de bois, ce dernier étant réservé à la construction des bateaux, qui aurait poussé les britaniques à trouver une alternative au charbon de bois.
L'image ci-dessous représente la coupe d'une meule à coke, à l'intérieur de laquelle on peut distinguer des blocs de houille disposés autour d'une cheminée en briques. La méthode est en tout point similaire à celle qui permet d'obtenir du charbon de bois (voir ici !).

Meule à coke
Coupe d'une meule à coke

Le métallurgiste anglais Abraham Darby met au point le premier haut fourneau au coke en 1709, dans le village de Coalbrookdale, près de Birmingham. Au début, le procédé peine à s'imposer car bien que le coke présente certains avantages (dans le fourneau, il résiste mieux à l'écrasement que le charbon de bois), il peut contenir des traces de soufre, à l'instar de la houille dont il est issu. Le charbon de bois est réputé fournir une fonte de meilleure qualité, aussi faudra-t-il attendre une cinquantaine d'années avant que le coke ne parvienne à le remplacer définitivement.
Les descendants d'Abraham Darby poursuivront ses travaux, donnant une véritable impulsion à la révolution industrielle en Angleterre. Marchant sur les traces de son père, Abraham Darby II fournit de la fonte à la société du forgeron Thomas Newcomen, inventeur d'une pompe aspirante actionnée par la vapeur, utilisée pour pomper l'eau au fond des mines de charbon. La fonte remplace alors avantageusement le cuivre, métal relativement coûteux. Quant à Abraham Darby III, il produit dès 1767 des rails en fonte (jusque là, les rails étaient en bois), et construit à Coalbrookdale le premier pont en fonte de l'histoire européenne, l'Iron Bridge, qui enjambe la Severn.

Iron Bridge, sur la Severn
Iron Bridge, sur la Severn
Crédit : Nilfanion

En France, les premiers instruments de dimension industrielle voient le jour à la fin du XVIIè siècle (nous pouvons citer, à titre d'exemple, la Grande Forge de Buffon, située en Côte-d'Or), mais il faut attendre le mois de janvier 1769 pour que le chimiste français Gabriel Jars parvienne à produire, à Hayange (en Moselle), de la fonte en utilisant du coke (le fameux coke gaulois), technique qu'il est allé apprendre en Angleterre auprès de deux maîtres de forges, les frères Wilkinson (John et William).

Haut fourneau à Hayange
Haut fourneau exploité à Hayange, en 1849
Crédit : William F. Durfee

Cherchant de nouveaux débouchés sur le continent, William Wilkinson passera plusieurs contrats avec le gouvernement français afin de construire des fonderies de canons, l'une à Indret (près de Nantes), l'autre au Creusot (en Saône-et-Loire), qui deviendra en 1790 le plus grand complexe métallurgique d'Europe continentale.
En 1784, le maître de forges anglais Henry Cort met au point une technique de décarburation de la fonte appelée puddlage (de l'anglais "puddle" signifiant brasser) où un ouvrier, le "puddleur", est chargé de brasser la fonte à l'aide d'un ringard.

Un puddleur au travail
Un puddleur au travail, vers 1919
Crédit : National Photo Company Collection, Library of Congress

La fonte est alors affinée dans un four à réverbération où la chaleur, dégagée par de la houille (et non plus par du charbon de bois), est réverbérée par une voûte en direction d'une autre zone, celle où se trouve la fonte. Cette dernière n'entre donc plus en contact avec le combustible, ce qui lui évite d'être à nouveau contaminée par le soufre. Le procédé, plus efficace que celui au charbon de bois, permet de fabriquer en grandes quantités du fer à faible teneur en carbone.
Une autre avancée consiste à préchauffer l'air envoyé dans le haut fourneau : l'industriel écossais James Beaumont Neilson constate en effet qu'un gaz brûle mieux dans l'air chaud que dans l'air froid. Brevetée en 1828, son invention permettra de faire de substancielles économies de charbon.

Le XIXè siècle peut être considéré comme l'âge d'or de la fonte et du fer dans la construction. Présentant une bonne résistance au feu, on l'utilise dès 1830 pour fabriquer les planchers et les combles des théâtres parisiens, afin de limiter la propagation des flammes en cas d'incendie. La fonte, bien que dure et cassante, résiste bien à la pression : on l'utilise principalement pour confectionner des colonnes (dans les gares, les usines, les marchés couverts...). Quant au fer puddlé, beaucoup plus malléable et résistant à la traction, on en fait grand usage dans la construction : charpentes, ponts, serres de grande taille (comme celle du Jardin des Plantes), sans oublier la tour Eiffel, surnommée à juste titre la "Dame de fer".

La tour Eiffel
La tour Eiffel, en cours de construction (mai 1888)

La construction de structures ayant un poids de plus en plus important (ponts, bâtiments) va ensuite imposer l'usage de l'acier, beaucoup plus résistant que le fer, ce dernier étant trop malléable en raison de sa très faible teneur en carbone. Tout cela sera rendu possible grâce aux travaux de l'ingénieur anglais Henry Bessemer, qui met au point (en 1856) le premier convertisseur, espèce de grosse cuve métallique, doublée intérieurement de briques réfractaires, où la fonte est affinée par de l'air injecté sous pression. Quand le taux de carbone est jugé satisfaisant, on arrête le processus.

Henry Bessemer
Henry Bessemer

En plus du carbone, de nombreux éléments indésirables (manganèse, du silicium) vont être oxydés, ce qui fait monter la température dans le convertisseur. La fonte va alors rapidement devenir liquide, contrairement à ce qui se passe dans les fours à réverbération, où elle reste à l'état solide. Ceci offre un gain de temps considérable : alors qu'il fallait près 24 h pour traiter la fonte dans le four à réverbère, une demi-heure suffit avec le convertisseur de Bessemer. Toutefois, celui-ci ne peut pas traîter les fontes de Lorraine, trop riches en phosphore. Le problème sera résolu en 1877, par les anglais Sidney Gilchrist Thomas et Percy Carlyle Gilchrist, qui mettrons au point le convertisseur dit "Thomas-Gilchrist", ou plus simplement convertisseur Thomas.

Convertisseur Bessemer
Convertisseur Bessemer - Ohio, 1941
La flamme est due à la combustion du carbone
Crédit : Alfred T. Palmer

Convertisseur Thomas
Convertisseur Thomas, opérationnel de 1954 à 1964 (Dortmund).
La cornue (cuve) pèse à elle seule 68 tonnes !
Crédit : Rainer Halama

Alors produit en grandes quantités, l'acier voit son prix de revient baisser considérablement, ce qui permet d'envisager son utilisation à l'échelle industrielle, notamment pour construire des édifices de grande taille tels que des musées, des bibliothèques, mais également des gratte-ciel.

Home Insurance Building à Chicago
Le 1er gratte-ciel, le Home Insurance Building,
est construit à Chicago en 1885,
par l'architecte William Le Baron Jenney.
Crédit : Chicago Architectural Photographing Company

Cependant, les convertisseurs Bessemer et Thomas présentent le même défaut : en raison des grandes quantités d'air employé pour décarburer la fonte, ils produisent un acier trop riche en azote, ce qui péjore ses qualités. D'autre part, si la fonte ne contient pas suffisamment d'impuretés à oxyder, la température monte moins rapidement, ce qui peut avoir pour effet de figer le mélange dans la cuve. Pour pallier cet inconvénient, il faut parfois ajouter du carbone afin de faire monter la température (carbone qu'il faudra retirer par la suite). Voilà pourquoi ces convertisseurs ne sont plus utilisés aujourd'hui, les derniers ayant cessé de fonctionner dans les années 1960.

Petit retour en arrière. En 1864, le français Pierre-Émile Martin met au point un four à réverbération permettant de faire fondre un mélange de fonte et de ferrailles recyclées. Il s'appuie pour cela sur les travaux d'un allemand émigré en Angleterre, Carl Wilhelm Siemens. Le principe de ce four repose sur le préchauffage des gaz de combustion. Alors qu'il faut environ 30 minutes à un convertisseur pour traiter la fonte, le four Siemens-Martin nécessite près de 8 heures pour effectuer ce travail, mais il permet d'obtenir un acier de meilleure qualité, ce dernier ne contenant pratiquement pas d'azote dissous. En 1950, ce procédé assurait près de 80% de la production mondiale.

Une autre méthode, mise au point au sortir de la seconde guerre mondiale, est le procédé Linz-Donawitz (plus simplement procédé LD), où l'affinage de la fonte se fait à nouveau à l'aide d'un convertisseur, dans lequel on injecte du dioxygène pur sous pression, directement dans le métal en fusion, à l'aide d'une lance. En 2014, ce procédé était à l'origine de 73% de la production mondiale. L'avantge de ce système est qu'on peut y ajouter jusqu'à 25% de ferraille, cette dernière étant meilleur marché que la fonte.
Il est également possible de produire de l'acier et de recycler les métaux à l'aide d'un four à arc électrique, qui utilise la chaleur produite par des arcs électriques.

Le fer dans le système solaire

Le coeur de notre bonne vieille Terre (et celui des autres planètes), contient principalement du fer. Le noyau interne, également appelé graine, est une boule de 2400 km de diamètre, constituée de 80% de fer et de 20% de nickel. Bien qu'il y règne une température d'environ 6000°C, il est maintenu dans l'état solide par une pression de plus de trois millions de bars. Quant au noyau externe, d'environ 4500 km de diamètre, il se trouve dans l'état liquide. Constitué lui aussi de fer (à plus de 80%), on pense qu'il est parcouru par des courants électriques, qui seraient responsables du champ magnétique de la Terre.
Les météorites métalliques, appelées sidérites, contiennent également (et même principalement) du fer et du nickel, dans des proportions qui varient d'un type de météorite à l'autre (de 50 à 90% de fer).

Echantillon de la météorite Campo del Cielo
Une petite météorite métallique (446 g).
Collection personnelle

La météorite ci-dessus n'est qu'un petit fragment du Campo del Cielo, groupe de météorites métalliques tombées en Argentine, il y a probablement plus de 4000 ans, et "découvertes" en 1576 par les conquistadors espagnols. Quant ils demandèrent aux Indiens où ils trouvaient le fer avec lequel ils fabriquaient leurs armes, ces derniers répondirent qu'il était tombé du ciel, dans un endroit appelé "Champ du Ciel". Le morceau le plus lourd pèse à lui seul 37 tonnes, ce qui en fait la deuxième plus grosse météorite connue après celle de Hoba (en Namibie), dont la masse est estimée à 60 tonnes (il s'agit du plus gros bloc de fer naturel à la surface de la Terre).
C'est une météorite métallique, la météorite du cap York, qui permit aux Inuits d'entrer dans l'âge de fer au VIIIè siècle. Seuls trois morceau étaient connus à l'époque, mais le plus gros d'entre eux (appelé Anhighito, c-à-d "la tente") pèse tout de même 31 tonnes. Apparemment, les Inuits tapaient dessus avec des pierres afin d'en extraire des morceaux, avec lesquels ils fabriquaient des armes et des outils. Pas de chance pour eux, en 1894, l'explorateur Robert Peary réussit à mettre la main dessus et à les vendre au Musée Américain d'Histoire Naturelle, à New York. Cupidité, quand tu nous tiens...

Robert Peary et la météorite Anhighito
Robert Peary et la météorite Anhighito, en 1897
Crédit : Robert E. Peary

Un point sur lequel les indiens avaient raison : les météorites, qu'elles soient métalliques ou rocheuses, tombent bel et bien du ciel. Plus précisément, les météorites métallique proviennent du coeur d'astéroïdes différenciés ayant été détruits lors de violentes collisions. Explications.
A l'instar des planètes, les astéroïdes se sont formés par accumulation progressive de matériaux divers (silicates, métaux, glace...). Ce processus, appelé accrétion, libère beaucoup de chaleur. Si l'astéroïde est de petite taille, il refroidit rapidement et n'évolue pratiquement pas dans le temps. Si par contre il est de grande taille, la chaleur s'évacue beaucoup plus lentement, ce qui maintient l'intérieur de l'astre partiellement fondu. Sous l'effet de la gravité, les matériaux les plus denses (métaux) vont migrer progressivement vers le centre alors que les moins denses remontent vers la surface : l'astéroïde est alors différencié. Dans la ceinture principale d'astéroïdes, située entre Mars et Jupiter, il y a vraissemblablement des millions d'astéroïdes, dont la taille est comprise entre quelques mètres et quelques centaines de kilomètres de diamètre (voir animation !). Bien qu'ils disposent d'énormément de place, il arrive parfois qu'il y ait des collisions, qui les fragmente en une multitude de morceaux plus petits. Certains débris peuvent être éjectés de la ceinture d'astéroïdes et être amenés, au cours de leurs pérégrinations dans l'espace, à croiser le chemin d'une planète (par exemple celui de la Terre) et à s'écraser à leur surface, donnant ainsi naissance à une (ou plusieurs) météorites, du moins pour ceux qui n'ont pas été pulvérisés par la force de l'impact. Le métal étant beaucoup plus solide que la roche, il est normal que les plus grosses météorites connues soient métalliques puisqu'elles résistent mieux au dit impact.

Propriétés du fer

Le fer tire son nom du latin ferrum, apparenté à firmus qui signifie ferme ou solide. C'est un métal ductile (il peut être étiré sans se rompre) et malléable (il peut être applati sous forme de lame ou de feuille) que l'on peut facilement modeler à froid (pas besoin de le fondre). Il est d'ailleurs trop malléable pour être utilisé tel quel, à l'état pur, raison pour laquelle on doit lui ajouter un peu de carbone, histoire de le rendre plus résistant : on parle d'acier lorsque le taux de carbone est compris entre 0,025% et 2,1%, et de fonte si ce taux est compris entre 2,1 et 6,67%.
La masse volumique du fer est de 7,86 g.cm-3, et sa température de fusion de 1538°C.

Le fer se corrode facilement, c'est pourquoi on ne le trouve pas à l'état natif. Attaqué par les acides, il présente une certaine affinité pour le dioxygène, avec lequel il peut former différents oxydes :

- l'oxyde ferreux, ou oxyde de fer (II) (de formule FeO), se présente sous forme de poudre noire inflammable

- l'oxyde ferrique, ou oxyde de fer (III) (Fe2O3), est l'un des constituants de la rouille

Oxyde de fer (II)
Oxyde de fer (II)               -                Oxyde de fer (III)

- l'oxyde magnétique (Fe3O4), ou oxyde de fer (II, III) naturellement présent dans la magnétite, est une combinaison des deux oxydes précédents

Quand à la rouille, mélange d'oxydes et d'hydroxydes de fer, elle se forme lentement sous l'action combinée de l'eau et du dioxygène. Etant poreuse et friable, elle ne protège donc pas le fer qui peut être corrodé en profondeur, à l'image de cette vieille épave de voiture.

Voiture rouillée
Crédit : Hannes Grobe

Le fer est l'un des quatre éléments du tableau périodique qu'un aimant peut attirer : on dit qu'il est ferromagnétique. Les trois autres éléments sont le cobalt, le nickel et, dans une moindre mesure, le gadolonium. Le fer conserve cette propriété jusqu'à la température de 768°C (on appelle cela sa température de Curie) ; au-delà, il n'est plus attiré par les aimants.

Le fer intervient dans le transport de l'oxygène le transport de l'oxygène dans le sang par l'hémoglobine. Il contribue également à réduire la fatigue, et au bon fonctionnement de notre système immunitaire. On considère généralement qu'un homme adulte en contient environ 4 g.

Globules rouges
Globules rouges

Production industrielle du fer

A venir (il faut juste patienter)...


Quelques exemples d'utilisation du fer

- Le fer forgé est très pauvre en carbone, ce qui le rend facile à travailler. Aujourd'hui, il est pricipalement utilisé pour fabriquer des objets décoratifs : balcons, grilles, meubles, rampes d'excaliers, serrures...

Viaduc de Garabit
Le viaduc de Garabit, construit dans les années 1880
par Gustave Eiffel, contient plus de 3000 tonnes
de fer forgé (puddlé).
Crédit : J.Thurion

- La fonte, nous l'avons vu, contient entre 2,1 et 6,67% de carbone. C'est ce qui la rend si dure. Elle a longtemps été utilisée (et l'est encore aujourd'hui) pour fabriquer des radiateurs, des bancs, des cheminées, des poêles... mais son usage a tendance à tomber en désuétude.

Presse à reliures
Presse en fonte pour reliures de livres

Près de 98 % de la production de fer est destinée à l'élaboration de l’acier, alliage de fer et de carbone (dont la teneur est alors comprise entre 0,025 et 2,1%). Plus il y a de carbone, plus l'acier est dur. Quand l'acier l'acier est composé principalement de fer et ce carbone, on parle d'acier au carbone ou d'acier non allié. Ce dernier présente l'avantage d'être peu coûteux et très résistant, mais il est sensible à la corrosion, c'est pourquoi on ajoute généralement d'autres métaux à l'acier (aciers alliés).

- Plus de la moitié de l'acier produit est utilisé par le secteur du bâtiment et de la construction : ponts, chemins de fer, buildings, gares, tunnels... Il y est fait principalement usage d'aciers non alliés, ce qui nécessite de prendre des mesures face aux problèmes de corrosion : couche de peinture, zingageLe zingage consiste à recouvrir le fer d'une couche de zinc qui va s'oxyder à la place du fer qu'il protège. Dans cette technique, le zinc est déposé uniquement à la surface du fer., galvanisation à chaudDans la galvanisation à chaud, le zinc n'est pas seulement déposé à la surface du fer, mais il pénètre l'acier sur quelques dizaines de microns d'épaisseur, ce qui offre une meilleure protection que le zingage....

Golden Gate Bridge
La construction du Golden Gate (1933-1937) nécessita près de 75 000 tonnes d'acier
Crédit : Peter Craig

- Arrivent en seconde position les domaines du transport et de la construction de machines (pelles mécaniques, tracteurs, grues...). Rien que dans le secteur automobile, on estime qu'une voiture de 1500 kg contient près 900 kg d'acier (répartis entre la carrosserie, le train de transmission, les suspensions...). Dans le transport maritime l'acier tient également une place très importante : il intervient notamment dans la fabrication des coques de bateaux et des conteneurs de transport de marchandises.

Porte-conteneurs
Navire porte-conteneurs
Crédit : Paul Harrison

Afin d'améliorer les qualités de l'acier, on peut lui ajouter de petites quantités d'autres métaux, en fonction des performances attendues. Les plus courants sont le manganèse (confère une plus grande dûreté, améliore la résistance à la traction, aux chocs, à l'usure), le chrome (rend l'acier inoxydable et améliore sa résistance mécanique à chaud), le nickel (améliore la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure), le molybdène (augmente la résistance à haute température). D'autres métaux sont parfois employés : magnésium, aluminium, silicium, titane, cobalt, niobium, vanadium... la liste est longue.
Les aciers alliés ainsi obtenus sont utilisés dans une multitude domaines, aussi nous nous limiterons à quelques exemples. Quand à l'acier trempé, il s'agit juste d'un acier ayant subi un brusque refroidissement (en le plongeant dans l'eau ou dans l'huile par exemple) après avoir été porté à haute température, ce qui lui confère une plus grande grande dureté et une meilleure résistance à la corrosion.

- Les appareils électroménager en font grand usage : fours traditionnels et micro-ondes, machines à laver, lave-vaisselle, réfrigérateurs...

Machine à laver de 1930
Machine à laver de 1930
Crédit : Andreas Praefcke

- Dans le domaine de l'alimentation (boites de conserve, canettes...), l'aluminium et l'acier se partagent le marché.

- L'acier inoxydable (ou "inox") doit contenir au moins 1,2% de carbone et 10,5% de chrome, qui au contact du dioxygène de l'air forme une couche protectrice d'oxyde de chrome. On y ajoute généralement du nickel afin d'améliorer ses propriétés mécaniques, et parfois des éléments tels que le molybdène et le titane, ou encore le vanadium et le tungstène pour une meilleure résistance aux températures élévées. Nombre d'ustensiles de cuisine sont en inox : cocotte-minute, casseroles, couverts...

Casseroles en acier
Casseroles en acier inoxydable

- L'acier est également présent dans les équipements électriques : renforts de câbles électriques à grande portée, transformateurs, moteurs électriques...

Nous n'avons ici fait qu'effleurer le sujet, tant il y aurait à dire au sujet du fer et de l'acier, mais point trop n'en faut !





Le cobalt (Z = 27)

Le cobalt possède 29 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, mais un seul d'entre eux, le cobalt 59 (59Co) est stable. Métal relativement peu abondant dans la croûte terrestre (il n'occupe que la 32ème place) c'est un co-produit de l'exploitation d'autres métaux (en particulier du cuivre et nickel).

Origine du cobalt

Le cobalt présent dans l’Univers est synthétisé lors de l'explosion d'étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ainsi que (et même principalement) lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

Bien qu'il n'existe pas à l'état natif, le cobalt est présent dans de nombreux minéraux, utilisés dès l'Antiquité pour fabriquer des pigments bleus. Les Egyptiens en font usage au XVè siècle av. J.-C. pour teinter le verre, et dans la peinture vers 2600 av. J.-C.. Ces pigments sont également utilisés en Assyrie (dans des fresques remontant au XIè siècle av. J.-C.), en Chine (dans l'émail sur porcelaine), en Grèce (sur certains vases)... En Italie, de magnifiques coupes en verre colorées au cobalt, datant du début de l'ère chrétienne, seront retrouvées dans les ruines de Pompéi. Bien plus tard, aux alentours du XIIè siècle, les maîtres verriers de l'île de Murano (située au nord de Venise) feront usage de pigments à base de cobalt pour teinter le verre, le fameux "verre bleu de Murano", que la noblesse s’arrache alors à prix d’or. Il faut toutefois attendre l'année 1802 avant qu'un français, le baron Louis Jacques Thénard, chimiste de son état, ne parvienne à synthétiser le premier bleu de cobalt (aluminate de cobalt, de formule Al2CoO4), commercialisé sous le nom de "bleu de Thénard". Soit dit en passant, c'est ce même baron Thénard qui inspirera à Victor Hugo son personnage de Thénardier dans Les Misérables, ledit Thénard s'étant opposé à sa proposition de réduire le temps de travail des enfants dans les usines.

Bleu de cobalt
Bleu de cobalt

Les gisements de cobalt, cela ne court pas les rues. En Europe, la plupart se trouvent dans les Monts Métallifères, chaîne de montagnes faisant office de frontière naturelle entre la Saxe (Allemagne) et la Bohème (Tchéquie), or cette région était autrefois célèbre pour ses riches mines d'argent, exploitées depuis le XIIè siècle. L'argent et le cobalt ont donc tendance à y cohabiter (avec le nickel et le fer), ce qui n'est pas sans poser certains problèmes car les minerais de cobalt les plus courants contiennent des composés soufrés et arséniés. Lorsque les métallurgistes chauffaient ces minerais afin d'en extraire l'argent, il n'était pas rare qu'il s'en dégage des émanations malodorantes et toxiques (de trioxyde d'arsenic), que les mineurs attribuaient à la présence de lutins malicieux, appelés kobolds dans le folklore germanique. C'est de là que le cobalt tire son nom. Quand à l'argent tant convoité, il va sans dire que les méchants lutins s'en emparaient, laissant aux pauvres mineurs un résidu de minerai sans valeur appelé "speiss".

Bébé kobold
Bébé kobold, par Gustave Doré (1862)

Jusqu'au XVIIIè siècle, le terme "cobalt" sert à désigner ce résidu, qui sera utilisé au XVIIè siècle pour fabriquer des pigments bleus, alors très en vogue en Allemagne. En 1735, le chimiste suédois Georg Brandt parvient à en extraire un nouvel élément, et démontre que ses composants sont responsables de la couleur bleue conférée aux verres. Dorénavant, c'est ce nouvel élément qui sera appelé cobalt.
Passant inaperçus, les travaux de Brandt seront finalement reconnus en 1780 grâce à l'un de ses compatriotes, le minéralogiste et chimiste Torbern Olof Bergman, qui parviendra à extraire du cobalt pur.

Propriétés du cobalt

Le cobalt pur est un métal de couleur gris clair, qui présente des reflets bleutés après polissage. Un peu plus dur que le fer, il est également plus cassant que ce dernier. Relativement dense (sa masse volumique est de 8,9 g/cm3), il ne fond qu'à 1495°C.

Echantillon de cobalt
Echantillon de cobalt pur
Crédit : W. Oelen

A l'instar du fer (et du nickel), le cobalt est ferromagnétique, c'est-à-dire qu'il peut être attiré par un aimant ou former un aimant permanent. Sa température de Curie (température à laquelle il perd son aimantation permanante) est de 1115°C, donc beaucoup plus élevée que celles du fer (768°C) et du nickel (354°C).
Protégé par une fine couche d'oxyde, il n'est corrodé ni par l'eau ni par l'air à température ambiante. En revanche, il peut être attaqué par les halogènes et les composés sulfurés. Il est également attaqué par les acides, en particulier par les acides oxydants (acide sulfurique, acide nitrique...), et en présence d'air il est dissous par l'ammoniaque (solution aqueuse de gaz ammoniac).
Considéré comme un oligoélément, il est présent dans la vitamine B12, qui intervient dans la formation des globules rouges et dans le fonctionnement du système nerveux.

Production industrielle du cobalt

Nous l'avons déjà dit précédemment, le cobalt est présent dans de nombreux minéraux : cobaltite (minéral sulfuré et arsénié), érythrite (arséniate de cobalt), smaltite (arséniure de cobalt), carrollite (minéral sulfuré riche contenant également du cuivre et du nickel)...

Echantillon d'érythrite
Echantillon d'érythrite
Crédit : Didier Descouens

Intervenant dans la fabrication des batteries lithium-ion qui équipent les téléphones portables et les véhicules électriques, le cobalt est de plus en plus convoité, au point de susciter des craintes quant à une éventuelle pénurie. Estimées aujourd'hui (2023) à 75 ans, les réserves pourraient tomber à 25 ans d'ici 2028, et la situation ne ferait qu'empirer si le parc automobile devait passer au tout électrique, ce qui exigerait une hausse de près de 1900% de la production de ce métal.
Dans la majorité des gisements exploités, le cobalt est co-produit lors de l'extraction du cuivre et du nickel. C'est ainsi qu'en 2020, le cobalt provenait pour 60% de mines de cuivre, et pour 38% de mines de nickel. Les 2% restant sont produits par la mine de Bou Azza, située au Maroc, qui exploite exclusivement un minerai de cobalt, le smalite (CoAs3). Actuellement, le plus gros producteur mondial de cobalt (et de très loin) est la RDC (République Démocratique du Congo), avec 144 000 tonnes en 2022 (à titre de comparaison, l'Indonésie occupe la deuxième place, avec "seulement" 9 500 tonnes en 2022). Les exportations congolaises sont, à près de 99%, destinées à la Chine qui fait littéralement main basse sur cette richesse, ajoutant à la rapacité le mépris le plus total de la vie humaine, puisque l'on estime que près de 40 000 enfants travaillent dans les mines de cobalt, dans des conditions de sécurité plus que précaires et pour un "salaire" dérisoire. Mais cela n'est pas grave, cela se passe loin de chez nous, alors courons vite acheter le téléphone portable dernier cri ! Et vive la transition énergétique...

Quelques exemples d'utilisation du cobalt

- La plupart des batteries lithium-ion, qui alimentent téléphones portables et voitures électriques, utilisent des cathodes (bornes positives) contenant de l'oxyde de lithium et de cobalt. Ce dernier permet de limiter leur montée en température, ainsi que d'augmenter leur durée de vie et leur capacité de stockage.

Batterie Lumix
Batterie lithium-ion d'appareil photo

- Les aciers au cobalt (qui en contiennent de 5 à 8%) font partie des alliages les plus durs, raison pour laquelle on les utilise pour fabriquer des mèches de fraiseuses et de perceuses. Le cobalt permet en outre d'améliorer la résistance aux températures élevées, à l'usure et à la corrosion.

- Le cobalt 60 (60Co) est un isotope radioactif du cobalt, émetteur de rayons gamma, dont la périodeLa période radioactive (ou demi-vie) d'un élément radioactif est la durée nécéssaire pour que la moitié des atomes de cet élément se désintègrent spontanément. est de 1925 jours. Longtemps utilisé en radiothérapie, il est souvent employé dans l'industrie pour stériliser le matériel médical ou les denrées alimentaires (les rayons gamma, très ionisants, détruisent les bactéries). Une autre application, beaucoup moins glorieuse (c'est un euphémisme) consiste à ajouter du cobalt 59 dans certaines bombes nucléaires : lors l'explosion, le cobalt 59 absorbe des neutrons et se transforme en cobalt 60, ce qui permet d'avoir davantage de retombées radioactives (oui, vous avez bien lu).

- Certains aimants permanents contiennent du cobalt. Utilisés depuis les années 1930, les aimants en alnico sont constitués, comme leur nom l'indique (il s'agit d'un acronyme), d'aluminium, de nickel et de cobalt, ainsi que de fer (auquel on ajoute parfois un peu de cuivre et de titane). Bien que fragiles, ils présentent l'avantage de conserver leurs caractéristiques magnétiques sur une grande plage de température (de -250°C à +55°C).

Aimant en alnico
Aimant en alnico
Crédit : Eurico Zimbres

Ils ont trouvé de très nombreuses applications : moteurs électriques, montres à quartz, systèmes ABS des véhicules, hauts-parleurs et écouteurs, éoliennes, alternateurs... (cette liste est loin d'être exhaustive).
Les aimants samarium-cobalt, apparus dans les années 1970, présentent une bonne résistance à la corrosion, mais ils sont très fragiles et s'écaillent facilement.

- Le cobalt est souvent employé dans les superalliages, en association avec le fer ou/et le nickel. Présentant une bonne résistance mécanique et chimique aux températures élevées, ces alliages complexes sont utilisés dans les turbines à gaz, les réacteurs d'avions de chasse, les réacteurs nucléaires...

- Le bleu de cobalt désigne un groupe de pigments bleus de synthèse, constitués d'aluminate de cobalt, utilisés en peinture ainsi que pour teinter le verre et la céramique.

Vase bleu
Vase chinois teinté au cobalt
(seconde moitié du XVIII siècle)
Crédit : Metropolitan Museum of Art

C'est tout pour aujourd'hui...






Le zinc (Z = 30)

Le zinc possède 30 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, mais seuls cinq d'entre eux sont stables : 64Zn (48%), 66Zn (28%), 67Zn (4%), 68Zn (19%) et enfin 70Zn (0,6%). Il est relativement peu abondant dans la croûte terrestre, son clarke (autrement dit sa teneur massique moyenne) étant de l'ordre de 80 g/tonne. On le trouve d'une part dans les variétés sulfurées telles que la blende (ZnS), d'autre part dans les variétés oxydées comme la smithsonite (carbonate de zinc), la zincite (ZnO), la willemite (silicate de zinc)... la liste est longue.

Origine du zinc

Le zinc présent dans l’Univers est synthétisé lors de l'explosion d'étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ainsi que lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

Bien que rare à l'état natif, le zinc est connu depuis la plus haute Antiquité, mais il n'était sans doute pas utilisé sous cette forme car il a tendance à être cassant. Les anciens métallurgistes utilisaient par contre les minerais de zinc, qu'ils mélangeaient aux minerais de cuivre et d'étain afin de fabriquer diverses variétés d'airains, nom donné autrefois aux alliages de cuivre (bronze, laiton), et cela depuis fort longtemps : des objets en laiton découverts en Mésopotamie dateraient d'environ 3000 ans avant J.-C. !
Nos lointains ancêtres connaissaient le minéral appelé aujourd'hui calamine (carbonate de zinc), et il semble qu'à l'époque d'Homère (fin du VIIIè siècle av. J.-C.), qui en fait état dans ses écrits, ils aient été capables d'en extraire le métal zinc par réductionEn chimie, un réactif subit une réduction lorsqu'il gagne des électrons (il s'agit donc de l'inverse d'une oxydation). Une réduction se traduit souvent par une perte d'oxygène, comme dans l'exemple ci-dessous, où l'oxyde de cuivre est réduit par le dihydrogène (qui est oxydé) :

CuO + H2 ---> Cu + H2O
, comme tendent à le prouver ces bracelets en zinc découverts sur l'île de Rhodes, dans les ruines d'une cité (Camiros) détruite au Vè siècle av. J.-C. (leur confection est donc antérieure à cette date).

Echantillon de calamine
Echantillon de calamine
Crédit : Robert M. Lavinsky

Dès le XIIè siècle de notre ère, les métallurgistes indiens (d'Inde) produisent du zinc à partir de carbonate de zinc, que les marchands arabes se chargent d'exporter vers l'Occident, sous le nom d'étain des Indes, car on pense alors qu'il s'agit d'une variété d'étain. En Europe, il faut attendre l'année 1695 avant que le chimiste néerlandais Guillaume Homberg, professeur de chimie du duc d'Orléans, ne parviennne à le préparer à partir de la calamine.
Un procédé de fabrication du zinc rapporté de Chine par un certain Lawson est exploité dès 1743 par le métallurgiste britannique William Champion, fabriquant de laiton installé à Bristol, ce qui conférera à l'Angleterre le monopole de la production de zinc durant la seconde moitié du XVIIIè siècle. De son côté, le pharmacien et chimiste prussien Andreas Sigismund Marggraf met en place en 1746 une petite fonderie à Berlin, avec laquelle il prépare du zinc par réduction de la calamine (carbonate de zinc) à l'aide de charbon. Il parvient également à extraire du zinc de la blende (sulfure de zinc), à laquelle il fait subir un grillage (à plus de 900°C), ce qui permet d'obtenir de l'oxyde de zinc (ZnO), qui est ensuite réduit à l'aide de charbon (nous verrons cela plus en détails dans la partie "Production industrielle").

L'industrie du zinc va dès lors se développer rapidement, notamment grâce à la méthode dite "silésienne", mise au point par l'inventeur et métallurgiste allemand Johann Christian Ruberg, et qui consiste à utiliser un four à creuset horizontal pouvant être chargé puis déchargé en continu, sans avoir à refroidir l'installation, ce qui est le cas avec les fours à creusets verticaux. Le gain en terme de rendement énergétique est donc appréciable. Les Belges notamment s'en inspireront lorsqu'ils implanteront leurs propres usines dans la région de Liège, où le chimiste (et chanoine) Jean-Jacques Dony rendra le procédé plus efficace, ce qui permettra de produire du zinc à moinde coût. Afin de faire la promotion de ce métal, il ira jusqu'à offrir une baignoire en zinc à l'empereur Napoléon 1er, qui ne s'en séparera plus (il l'emmènera, paraît-il, dans ses campagnes de Russie). Cela n'empêchera pas Dony de finir dans la misère, car faute de débouchés immédiats, son procédé devra attendre encore quelques années avant de donner une véritable impulsion à la métallurgie du zinc.
Ce métal va trouver nombre d'applications : utilisé comme anode dans les premières piles Volta, il permet également de confectionner des caractères d'imprimerie de meilleure qualité. Mais c'est surtout dans le domaine de l'architecture de fer et du bâtiment qu'il va jouer un rôle essentiel : non seulement il va servir à protéger le fer et l'acier contre la corrosion, mais il va être employé comme matériau de couverture (tuiles, chéneaux...), notamment à Paris, sous l'impulsion du baron Haussmann (1809-1891).

Immeuble haussmannien à Paris
Immeuble haussmannien à Paris,
avec couverture en zinc

Mais nous n'avons pas encore parlé de son étymologie : il aurait été appelé ainsi en 1526 par le médecin, philosophe, et alchimiste Philippus Theophrastus Aureolus Bombast von Hohenheim (à vos souhaits !), plus connu sous le nom de Paracelse, qui lui donna le nom latin de "zincum", lui-même issu de l'allemand "zinke" (ou "zinken") signifiant "pointe acérée". Il serait lié au fait que lorsque le zinc fondu refroidit et se solidifie, il forme des sortes de pointes appelées dendrites ou "barbes" en cristallographie (voir ici !).

Propriétés du zinc

Métal présentant un aspect gris-blanc, cassant à froid, le zinc est facilement attaqué par les acides. Il n'est maléable et ductile (facile à étirer) qu'entre 105°C et 150°C, mais redevient cassant au-delà de 200°C. Au contact de l'air humide, il se recouvre d'une couche imperméable d'hydrocarbonate de zinc. Relativement lourd (sa masse volumique est de 7,13 g/cm3), il fond facilement (à 419°C) et brûle en produisant une flamme verte.

Flamme verte du zinc
Flamme verte du zinc

Le zinc est un oligo-élément indispensable à notre organisme : présent dans nombre d'enzymes, il est impliqué (entre autres), dans la synthèse des protéines. On en trouve essentiellement dans les aliments d'origine animale (viande, poisson, oeufs, produits laitiers) ainsi que dans les céréales complètes. Une carence en zinc peut être à l'origine d'un retard de croissance, de problèmes de peau, d'un manque d'appétit, d'une mauvaise cicatrisation des blessures... En revanche, un excès de zinc provoque des crampes d'estomac, des vomissements, de l'anémie, et s'avère nocif pour le pancréas.

Production industrielle du zinc

Les minerais de zinc sont généralement associés à d'autres métaux (plomb, cadmium, fer, bismuth, antimoine, arsenic, germanium, indium...), qui pour certains trouvent là leur principale source (c'est notamment le cas du cadmium, du germanium et de l'indium).
Le principal minerai de zinc est la blende (sulfure de zinc), dont nous avons déjà dit qu'elle était broyée et grillée (vers 900-1 100°C) afin de transformer le sulfure de zinc en oxyde de zinc (ZnO) (nous avons déjà vu cela un peu plus haut) :

2 ZnS + 3 O2 ---> 2 ZnO + 2 SO2

On obtient alors ce que l'on appelle de la "calcine". Cette dernière doit encore être réduite, ce qui peut se faire par hydrométallurgie ou par pyrométallurgie.

- La pyrométallurgie est employée lorsque le minerai est riche en plomb. Elle consiste à réduire la calcine dans un four en présence de carbone, selon la réaction suivante :

ZnO + C ---> Zn + CO

Comme la température du four excède la température d'ébullition du zinc (907°C), la difficulté consiste ici à refroidir suffisamment rapidement la vapeur de zinc obtenue, afin qu'elle ne soit pas réoxydée par le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone.

- L'hydrométallurgie nécessite quand à elle quatre étapes. Dans un premier temps, la calcine est attaquée par de l'acide sulfurique dilué, ce qui dissout l'oxyde de zinc (ainsi que la plupart des oxydes présents) mais pas l'oxyde de plomb, qui reste solide et est éliminé par filtration :

ZnO + 2 H+ + SO42- ---> Zn2+ + SO42- + H2O

La seconde étape consiste à ajouter de la soude afin d'éliminer les ions ferriques Fe3+ éventuellement présents, sous forme d'un précipité d'hydroxyde de fer de formule Fe(OH)3.
Reste à éliminer les ions métalliques autres que Zn2+, notamment Cu2+, Cd2+, Ni2+, Co2+. Pour cela, on ajoute de la poudre de zinc, ce qui permet de réduire ces espèces métalliques (M) :

Zn + M2+ ---> Zn2+ + M

La dernière étape consiste à électrolyser la solution de Zn2+ ainsi obtenue, ce qui permet de de récupérer du zinc pratiquement pur (à 99,995 %).

En 2022, la production mondiale de zinc s'élève à 12,47 millions de tonnes, la Chine produisant à elle seule un peu plus de 4 millions de tonnes, suivie du Pérou (1,37 millions de tonnes) et de l'Australie (1,23 millions de tonnes). L'Australie, première exportatrice mondiale en 2022, destine d'ailleurs l'essentiel de sa production à la Chine (57%), à la Corée du Sud (20%) et au Japon (10%).

Quelques exemples d'utilisation du zinc

Plus de 50% du zinc produit sert à protéger le fer et l'acier contre la corrosion. Il existe différentes méthodes, mais nous n'en présenteront que quelques-unes.

- La galvanisation à chaud ! consiste à nettoyer la pièce en acier avant de l'immerger dans un bain de zinc fondu (à 450°C).

- Le zingage électrolytique, appelé également galvanisation à froid, consiste à déposer sur l'acier une couche de zinc par électrolyse (donc à l'aide d'un courant électrique) : la pièce en acier, reliée à la cathode, est plongée dans un bain contenant des ions zinc, qui migrent de l'anode (+) vers la cathode (-).

- Dans le procédé appelé shérardisation, inventé au XIXè siècle par un certain Sherard Cowper Cowle, l'acier est chauffé avec de la poudre de zinc, qui en fondant se combine avec le fer superficiel.

- Toujours dans le but de lutter contre la formation de la rouille, des blocs de zinc sont parfois reliès grâce à des fils conducteurs à des structures en acier (ponts, voies ferrées, coques de bateaux...). Le zinc, plus réducteur que le fer (il perd plus facilement ses électrons que ce dernier), va s'oxyder à sa place, raison pour laquelle cette méthode est appelée "protection par anode sacrificielle" (l'anode est par définition la borne où se produit l'oxydation).

Anode sacrificielle
Anode sacrificielle utilisée pour
protéger une coque de bateau
Crédit : Lamiot

Le zinc est également largement employé pour réaliser des alliages avec le cuivre (laitons, bronzes, maillechorts) et l'aluminium (zamak).

- Le laiton (parfois appelé cuivre jaune), composé principalement de cuivre et de zinc, peut être associé à d'autres métaux (plomb, étain, nickel, chrome magnésium). C'est de loin l'alliage de cuivre le plus utilisé, et ce dans une multitude de domaines : bijouterie, horlogerie, serrurerie, robinetterie, éléments de décoration, instruments de musique, chaudronnerie, plaques de médecins et d'avocats, douilles d'obus et d'armes à feu...

Dé en laiton, zinc fondu et cuivre
Dé en laiton, zinc fondu et cuivre

- Le bronze, alliage de cuivre et d'étain, peut également contenir de l'aluminium, du plomb, du béryllium, du manganèse et du tungstène. Il s'agit de l'un des plus anciens alliages connus, puisqu'il aurait été inventé vers -2000 av. J.-C.). Présentant l'avantage d'être plus solide que le cuivre, il servait alors à fabriquer des armes, des armures, des outils, ainsi que des instruments de musique. Beaucoup moins prisé de nos jours, il est principalement utlisé dans le domaine artistique (sculptures, cloches...). Exposées aux intempéries, sculptures en bronze sont facilement reconnaissables à la patine verte qui se forme à leur surface, le "vert-de-gris", constitué d'un mélange de sels de cuivre (en particulier du carbonate de cuivre). Présentant une bonne résistance à l'usure mécanique, le bronze est parfois utilisé dans les mécanismes où y a des frottements.

Le penseur de Rodin
"Le Penseur", d'Auguste Rodin (1881-1882)
Sculpture en bronze

- Quant au maillechort, alliage de cuivre, d'étain et de nickel également appelé "argentan" en raison de son aspect argenté, il tire son nom des deux métallurgistes lyonnais (Maillot et Chorier) qui l'ont mis au point vers 1820. Beaucoup plus résistant à la corrosion que le laiton, il connaît de nombreux de domaines d'utilisation : calandres des anciennes Rolls-Royce, certaines assiettes et couverts, visserie, horlogerie, clés (serrurerie), bijouterie, instruments de musique... Les flûtes traversières, notamment, sont généralement faites en mailleshort (plus rarement en argent, mais le prix n'est pas le même !).

- Le zamak, alliage à base de zinc (pour près de 95%), d'aluminium (environ 4%), de cuivre et de magnésium, a été développé et breveté vers 1926 par la New Jersey Zinc Company. Le terme zamak est formé à partir des premières lettres des noms allemands de ces quatre métaux : Zink, Aluminium, Magnesium et Kupfer (cuivre). Résistant, facile à mouler et à usiner, il présente en outre l'avantage d'être relativement peu coûteux. Stocké sous forme de lingots, il est ensuite fondu (vers 420°C) et injecté dans des moules lui donnant la forme voulue. On l'utilise aussi bien dans le secteur automobile (il permet de fabriquer des véhicules plus légers), que dans le bâtiment (poignées de portes, rampes d'escalier, balustrades...), le domaine médical (défibrillateurs, fauteuils roulants, béquilles et j'en passe) ou l'armement (culasses de certaines armes)...

Lingots de zamak
Lingots de zamak
Crédit : J.Dombier

Les (autres) domaines d'utilisation du zinc étant très variés, nous nous contenterons des exemples ci-dessous.

- Le zinc est utilisé dans les piles salines et alcalines, où il joue le rôle de donneur d'électrons.

- L'oxyde de zinc (ZnO) est utilisé dans les crêmes solaires, car il bloque les rayons ultraviolets provenant du Soleil.

- En peinture, le pigment blanc appelé blanc de zinc (ou blanc de Chine) est constitué d'oxyde de zinc pur.

Oxyde de zinc
Oxyde de zinc

- Le pyrithione de zinc est utilisé dans les shampooings antipelliculaires (il tue les champignons et les bactéries présentes sur le cuir chevelu). Son utilisation est toutefois en passe d'être interdite par l'Union européenne car il est soupçonné d'endommager l'ADN.

Voilà pour l'essentiel.




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