On regroupe sous le terme « métaux » des corps qui ont certaines propriétés communes. La masse volumique d'un corps est égale au rapport entre la masse d'un échantillon de ce corps et son volume. Son unité peut varier mais elle correspond toujours à une unité de masse divisée par une unité de volume. La densité d'un métal est obtenue en divisant sa masse volumique par celle de l'eau. La couleur de certains métaux, leur comportement face à un aimant et leur masse volumique permettent de les identifier.
Les principaux métaux et leurs propriétés
Les métaux étant de bons conducteurs d'électricité et de chaleur, ils sont couramment utilisés dans divers domaines du quotidien.
Les métaux courants
Les caractéristiques et l'abondance de certains métaux font qu'ils sont couramment utilisés dans plusieurs domaines du quotidien.
Les métaux ont une place très importante dans la vie quotidienne, car ils possèdent des caractéristiques propres et indispensables à la vie courante.
| Métal | Caractéristiques | Domaines d'utilisation |
| Cuivre | Très bon conducteur électrique et thermique | Électricité Plomberie |
| Or | Inaltérable Rare Cher Déformable | Industrie du luxe (bijouterie) Technologie de pointe |
| Argent | Bon réflecteur de lumière Conducteur électrique Peu résistant aux frottements Oxydation rapide | Miroir Radiologie Photographie |
| Fer | Solide Très présent Peu cher Oxydation rapide | Industrie Bâtiment |
| Zinc | Très résistant à l'eau et à l'humidité | Industrie automobile Secteur du bâtiment (toiture) |
| Aluminium | Peu dense Résistant Quasi inaltérable | Véhicule Bâtiment Aérospatial Emballage |
Les propriétés communes des métaux
Tous les métaux conduisent bien l'électricité, la chaleur, et réfléchissent la lumière.
Les métaux sont tous :
- de bons conducteurs électriques ;
- de bons conducteurs de chaleur ;
- de bons réflecteurs de lumière.
- On choisit les métaux, le cuivre surtout, pour constituer les fils électriques, car les métaux sont de bons conducteurs électriques.
- Une tige de métal chauffée à une extrémité sera rapidement chaude à son autre extrémité, car les métaux sont de bons conducteurs de chaleur.
- Tous les métaux, lorsqu'ils sont polis, brillent, c'est-à-dire qu'ils réfléchissent une grande partie de la lumière qu'ils reçoivent.
La masse volumique des métaux
La masse volumique d'un corps est obtenue en divisant la masse d'un échantillon de ce corps par son volume. Cette relation permet de déterminer aussi les expressions de la masse et du volume. La densité d'un corps est égale au rapport entre sa masse volumique et celle de l'eau.
L'expression de la masse volumique
La masse volumique d'un corps est égale au quotient de la masse d'un échantillon de ce corps par son volume. L'unité de la masse volumique peut varier mais elle correspond toujours à une unité de masse divisée par une unité de volume.
Masse volumique
La masse volumique d'un corps (solide ou liquide) est la masse d'une unité de volume de ce corps. Elle se note \rho (se prononce « rho ») et peut s'exprimer avec plusieurs unités : kg/L, \text{g/cm}^3 ou encore \text{kg/m}^3 .
La masse d'un litre d'eau étant d'un kilogramme, la masse volumique de l'eau est :
\rho_{\text{eau}} = 1 \text{ kg/L}
Masse volumique
La masse volumique d'un corps est égale au quotient de la masse d'un échantillon de ce corps et du volume de cet échantillon :
\rho_{\text{corps}} = \dfrac{m_{\text{corps}}}{V_{\text{corps}}}
- Elle est exprimée en kg/L si la masse est exprimée en kilogrammes (kg) et le volume en litres (L).
- Elle est exprimée en \text{kg/m}^3 si la masse est exprimée en kilogrammes (kg) et le volume en mètres cubes ( \text{m}^3 ).
- Elle est exprimée en \text{g/cm}^3 si la masse est exprimée en grammes (g) et le volume en centimètres cubes ( \text{cm}^3 ).
Un échantillon d'aluminium de 20 \text{ cm}^3 a une masse de 54 g, sa masse volumique est donc :
\rho_{\text{aluminium}} = \dfrac{m_{\text{aluminium}}}{V_{\text{aluminium}}}
\rho_{\text{aluminium}} = \dfrac{54}{20}
\rho_{\text{aluminium}} = 2{,}7 \text{ g/cm}^3
Il est utile de connaître les conversions suivantes :
- 1 \text{ kg} = 1 \ 000 \text{ g} ;
- 1 \text{ m}^3 = 1 \ 000 \text{ L} ;
- 1 \text{ L} = 1 \ 000 \text{ cm}^3 ;
- 1 \text{ mL} = 1 \text{ cm}^3 .
Puisque 1 \text{ kg} = 1 \ 000 \text{ g} et 1 \text{ L} = 1 \ 000 \text{ cm}^3 , on a la correspondance suivante :
1 \text{ g/cm}^3 = 1 \text{ kg/L}
La masse volumique de l'aluminium peut donc s'écrire :
\rho_{\text{aluminium}} = 2{,}7 \text{ g/cm}^3
Ou encore :
\rho_{\text{aluminium}} = 2{,}7 \text{ kg/L}
L'expression de la masse d'un échantillon
La masse d'un échantillon d'un corps est égale au produit de sa masse volumique par le volume de cet échantillon.
Masse d'un échantillon d'un corps
La masse d'un échantillon d'un corps est obtenue en multipliant sa masse volumique par le volume de cet échantillon :
m= \rho \times V
L'unité de la masse volumique donnant l'unité dans laquelle la masse sera calculée est celle avec laquelle le volume doit être exprimé pour réaliser le calcul.
À partir de la masse volumique de l'aluminium \rho_{\text{aluminium}} = 2 \ 700 \text{ g/L} , on souhaite déterminer la masse d'un échantillon d'aluminium de volume 250 mL. L'unité de la masse volumique étant en grammes par litre (g/L), le volume doit être exprimé en litres (L) et la masse calculée sera exprimée en grammes (g).
La formule de la masse de cet échantillon est :
m_{(\text{kg})} = \rho_{(\text{kg/L})} \times V_{(\text{L})}
Et on doit donc convertir le volume en litres :
V = 250 \text{ mL} = 0{,}250 \text{ L}
D'où l'application numérique :
m_{(\text{kg})} = 2 \ 700 \times 0{,}250
m= 675 \text{ g}
L'expression du volume d'un échantillon
Le volume d'un échantillon d'un corps est égal au quotient de la masse de cet échantillon et de sa masse volumique.
Volume d'un échantillon d'un corps
Le volume d'un échantillon d'un corps est obtenu en divisant la masse de cet échantillon par sa masse volumique :
V= \dfrac{m}{\rho}
L'unité de la masse volumique donnant l'unité dans laquelle le volume sera calculé est celle avec laquelle la masse doit être exprimée pour réaliser le calcul.
À partir de la masse volumique du fer \rho_{\text{fer}} = 7{,}9 \text{ kg/L} , on souhaite déterminer le volume d'un échantillon de fer de masse 822 g. L'unité de la masse volumique étant le kg/L, la masse doit être exprimée en kilogrammes (kg) et le volume calculé sera exprimé en litres (L).
La formule du volume de cet échantillon est :
V_{(\text{L})} = \dfrac{m_{(\text{kg})} }{\rho_{(\text{kg/L})} }
Et on doit donc convertir la masse en kilogrammes :
m = 822 \text{ g} = 0{,}822 \text{ kg}
D'où l'application numérique :
V_{(\text{L})} = \dfrac{0{,}822 }{ 7{,}9 }
V= 0{,}104 \text{ L}
On peut retrouver la formule de la masse volumique d'après son unité : puisqu'elle peut être exprimée en kg/L ou en g/mL, elle est bien obtenue en divisant une masse par un volume. Les expressions de la masse et du volume sont alors obtenues en partant de celle de la masse volumique et en isolant la grandeur souhaitée.
La densité
La densité d'un corps est obtenue en divisant sa masse volumique par celle de l'eau. Son avantage est d'être une grandeur sans unité.
La densité
La densité d'un corps est le rapport de sa masse volumique par celle de l'eau. Elle se note d et n'a pas d'unité :
d_{\text{corps}} = \dfrac{\rho_{\text{corps}}}{\rho_{\text{eau}}}
Avec \rho_{\text{eau}} = 1 \text{ kg/L} .
La densité de l'aluminium est :
d_{\text{aluminium}} = \dfrac{\rho_{\text{aluminium}}}{\rho_{\text{eau}}}
d_{\text{aluminium}} = \dfrac{2{,}7}{1}
d_{\text{aluminium}} = 2{,}7
Les tests de reconnaissance de quelques métaux
Certains métaux peuvent être identifiés par leur couleur ou avec un aimant. Tous les métaux peuvent être identifiés à l'aide de leur masse volumique ou de leur densité.
Le test de couleur
L'or et le cuivre peuvent être identifiés par leur couleur.
Beaucoup de métaux sont gris, ce qui ne permet pas de les identifier. Mais certains métaux ont une couleur caractéristique qui permet de les distinguer.
- L'or est un métal jaune.
- Le cuivre est un métal orangé.
Le test à l'aimant
Le cobalt, le nickel et surtout le fer peuvent être identifiés avec un aimant.
Le cobalt, le nickel et le fer (beaucoup plus répandu) sont les seuls métaux à être attirés par un aimant, ce qui permet de les identifier ou de les trier.
Dans les installations de recyclage, le fer est attiré par un électro-aimant pour être séparé des autres métaux.
La mesure de la masse volumique ou de la densité
Tous les métaux peuvent être identifiés par une mesure de leur masse volumique ou de leur densité.
Les métaux ayant tous des masses volumiques (et donc des densités) différentes, la mesure de ces grandeurs permet de les identifier.
Voici les masses volumiques et les densités des métaux les plus courants (à 20 °C et à pression atmosphérique normale) :
| Métal | Aluminium | Zinc | Fer | Cuivre | Argent | Or |
| Masse volumique en kg/L | 2,7 | 7,1 | 7,9 | 8,9 | 10,5 | 19,3 |
| Densité | 2,7 | 7,1 | 7,9 | 8,9 | 10,5 | 19,3 |