Karamö, le prof virtuelLeçon 12 sur 22
L'utilisation des métaux
Je sais expliquer pourquoi on choisit tel métal pour tel usage, en m'appuyant sur ses propriétés.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Relier une propriété d'un métal (conduction, légèreté, dureté, résistance à la corrosion, température de fusion) à un usage
- Utiliser un tableau de propriétés pour choisir le métal adapté
- Calculer une masse avec la masse volumique pour comparer deux métaux
- Citer les principaux métaux exploités ou utilisés en Guinée
Avant de commencer : Les propriétés caractéristiques des métaux (éclat, conduction, masse volumique, température de fusion) vues dans la leçon précédente.
1Je découvre
Sékou accompagne son oncle Lansana, électricien, sur un chantier à Kankan. Dans la maison, les fils électriques qui partent du compteur sont en cuivre. Mais le long de la route, les gros câbles tendus entre les poteaux sont en aluminium. Sur le toit, les tôles ondulées sont en acier recouvert de zinc, et les fers à béton des piliers sont en acier. Dans la cuisine de la tante, les marmites sont en aluminium, et la bague de mariage de la tante est en or.
Sékou s'étonne : « Pourquoi autant de métaux différents ? Le cuivre conduit bien le courant, pourquoi ne pas l'utiliser pour les câbles de la route aussi ? Et pourquoi ne fait-on pas les marmites en or, puisque l'or ne rouille jamais ? »
L'oncle sourit : « Chaque métal a ses qualités, ses défauts et son prix. On choisit toujours le métal qui convient le mieux à l'usage. »
Comment choisit-on le métal adapté à chaque usage ?
2Je comprends
1. Une propriété, un usage
Dans la leçon précédente, tu as vu les propriétés caractéristiques des métaux : ils sont brillants, bons conducteurs de l'électricité et de la chaleur, malléables (on peut les déformer en feuilles) et ductiles (on peut les étirer en fils). Mais ces propriétés ne sont pas au même niveau pour tous les métaux. C'est pour cela qu'on ne les utilise pas pour les mêmes choses.
Choisir un métal, c'est répondre à la question : de quelle propriété ai-je le plus besoin ? Puis on tient compte du prix et de la disponibilité du métal.
| Propriété recherchée | Métal souvent choisi | Exemples d'usage |
|---|---|---|
| Très bonne conduction électrique | cuivre, aluminium | fils électriques, câbles, bobinages de moteurs |
| Bonne conduction de la chaleur | aluminium, cuivre | marmites, casseroles, radiateurs |
| Légèreté (faible masse volumique) | aluminium | avions, cadres de fenêtres, canettes, câbles aériens |
| Dureté, solidité | fer (sous forme d'acier) | fers à béton, ponts, rails, outils, houes |
| Résistance à la corrosion | or, zinc, étain, chrome | bijoux, tôles galvanisées, boîtes de conserve |
| Température de fusion basse | étain, plomb | soudure des circuits électriques |
| Température de fusion très élevée | tungstène | filament des anciennes ampoules |
2. Les grandes familles d'usages
Le fer et l'acier : la solidité. Le fer est le métal le plus utilisé dans le monde. On l'emploie presque toujours sous forme d'acier (fer + un peu de carbone), plus dur et plus résistant. On en fait les fers à béton des maisons, les charpentes, les ponts, les rails, les carrosseries, les outils agricoles fabriqués par les forgerons (houes, dabas, coupe-coupe). Son défaut : il rouille à l'air humide.
Le cuivre : le conducteur. Le cuivre est, après l'argent, le métal qui conduit le mieux le courant. Il est aussi très ductile : on l'étire en fils fins. On l'utilise pour les fils électriques des maisons, les bobinages des moteurs et des ventilateurs, les tuyaux de plomberie.
L'aluminium : la légèreté. Il est environ trois fois plus léger que le fer à volume égal. Il conduit bien le courant et la chaleur et il résiste bien à la corrosion. On en fait les marmites, les avions, les cadres de fenêtres, les câbles des lignes électriques à haute tension.
Le zinc et l'étain : la protection. Ces métaux résistent bien à la corrosion. On recouvre le fer d'une couche de zinc (tôles « galvanisées ») ou d'étain (boîtes de conserve) pour le protéger.
L'or et l'argent : la beauté et l'inaltérabilité. Ils ne rouillent pas et gardent leur éclat. On en fait des bijoux, des pièces de monnaie anciennes, et on les utilise dans certains contacts électroniques. Ils sont rares, donc très chers.
3. Pourquoi l'aluminium pour les câbles de la route ?
Le cuivre conduit un peu mieux que l'aluminium. Mais un câble tendu entre deux poteaux doit être léger, sinon il pend et casse, et il faut des poteaux plus solides. L'aluminium, trois fois plus léger que le cuivre, est aussi moins cher. Pour les longues lignes, c'est donc lui qu'on choisit. Dans les maisons, où les fils sont courts et cachés, on garde le cuivre, qui conduit mieux et qui est plus souple.
Pour comparer deux métaux, on utilise la masse volumique ρ (lettre grecque « rhô ») : c'est la masse d'un volume unité du métal.
ρ = mV donc m = ρ × V
avec m en grammes (g), V en centimètres cubes (cm³) et ρ en g/cm³.
Méthode
Pour comparer la masse de deux objets de même volume faits de métaux différents :
- Je calcule le volume V de l'objet (en cm³).
- Je relève la masse volumique ρ de chaque métal dans un tableau.
- Je calcule chaque masse avec m = ρ × V.
- Je compare les masses et je conclus sur le choix du métal.
Exemple
Un câble a une section de 1 cm² et une longueur de 100 m. Compare sa masse s'il est en cuivre (ρ = 8,9 g/cm³) ou en aluminium (ρ = 2,7 g/cm³).
- Volume : 100 m = 10 000 cm, donc V = 1 × 10 000 = 10 000 cm³.
- Cuivre : m = 8,9 × 10 000 = 89 000 g = 89 kg.
- Aluminium : m = 2,7 × 10 000 = 27 000 g = 27 kg.
- Le câble en aluminium pèse 89 − 27 = 62 kg de moins sur 100 m. Sur une ligne de plusieurs kilomètres, la différence est énorme : on choisit l'aluminium.
Exemple
Pourquoi fabrique-t-on les marmites en aluminium et non en or ?
L'or ne rouille pas, mais :
– il est très lourd (19,3 g/cm³ contre 2,7 g/cm³ pour l'aluminium), soit environ 7 fois plus lourd à volume égal (19,3 ÷ 2,7 ≈ 7,1) ;
– il est rare et extrêmement cher ;
– il est mou et se déforme facilement.
L'aluminium est léger, bon conducteur de la chaleur, résistant à la corrosion et bon marché : c'est le bon choix pour une marmite.
4. Les métaux et la Guinée
La Guinée est un pays riche en minerais. Elle possède d'immenses gisements de bauxite, le minerai dont on tire l'aluminium, dans les régions de Boké, Fria, Kindia, Dabola et Tougué notamment ; c'est l'un des premiers producteurs de bauxite au monde. L'or est exploité en Haute-Guinée, en particulier autour de Siguiri, de façon industrielle et artisanale. Le fer se trouve dans les monts Nimba, en Guinée forestière, et dans la chaîne du Simandou, entre la Guinée forestière et la Haute-Guinée. On trouve aussi du diamant en Guinée forestière et en Haute-Guinée.
Dans la vie de tous les jours, les artisans guinéens transforment aussi les métaux : les forgerons fabriquent des outils agricoles en acier, et des artisans refondent de l'aluminium de récupération pour couler des marmites. C'est une forme de recyclage : un métal peut être refondu et réutilisé presque sans fin, ce qui économise le minerai et l'énergie.
- 1Je repère l'usage : que doit faire l'objet ?
- 2Je cherche la propriété indispensable : conduire, être léger, être solide, ne pas rouiller…
- 3Je compare les métaux qui ont cette propriété dans un tableau.
- 4Je tiens compte du prix, de la masse et de la disponibilité.
- 5Je choisis le métal (ou l'alliage) le mieux adapté.
3Je retiens
Je retiens
On choisit un métal selon la propriété dont on a besoin, puis selon son prix et sa disponibilité.
Cuivre : très bon conducteur, ductile → fils électriques, bobinages.
Aluminium : léger (2,7 g/cm³), bon conducteur, résiste à la corrosion → câbles aériens, marmites, avions.
Fer (acier) : solide, dur, bon marché mais rouille → constructions, outils, rails.
Zinc, étain : protègent le fer contre la rouille. Or, argent : ne s'altèrent pas → bijoux.
Masse volumique : ρ = m / V, donc m = ρ × V.
La Guinée possède de grands gisements de bauxite (aluminium), d'or et de fer.
4Erreurs fréquentes
- Croire que le meilleur conducteur est toujours choisi : pour les câbles aériens, on préfère l'aluminium, plus léger et moins cher que le cuivre.
- Confondre « léger » et « petit » : un métal léger a une faible masse volumique ; à volume égal, il pèse moins.
- Oublier de convertir les unités : avec ρ en g/cm³, le volume doit être en cm³ (1 m = 100 cm ; 1 m³ = 1 000 000 cm³).
- Dire que l'or est utilisé parce qu'il conduit le mieux : c'est surtout parce qu'il ne s'altère pas ; le meilleur conducteur est l'argent, puis le cuivre.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Associe chaque objet au métal le plus adapté et donne la propriété qui justifie ton choix : a) fil électrique d'une maison ; b) fer à béton ; c) bague ; d) canette de boisson ; e) soudure d'un circuit électronique.
Métaux proposés : or, acier, cuivre, étain, aluminium.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Fil électrique : cuivre, très bon conducteur et ductile (on l'étire en fils).
b) Fer à béton : acier, dur et solide, bon marché.
c) Bague : or, brillant, inaltérable (il ne rouille pas).
d) Canette : aluminium, léger, facile à mettre en forme, résiste à la corrosion.
e) Soudure : étain, fond à basse température (232 °C).
2Exercice 2
Complète les phrases.
a) La masse volumique de l'aluminium est ……, c'est pourquoi on dit qu'il est ……
b) On recouvre les tôles de toiture d'une couche de …… pour les protéger de la ……
c) Le minerai de l'aluminium s'appelle la …… ; en Guinée, on l'exploite notamment à ……
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a) La masse volumique de l'aluminium est 2,7 g/cm³, c'est pourquoi on dit qu'il est léger.
b) On recouvre les tôles d'une couche de zinc pour les protéger de la rouille (corrosion).
c) Le minerai de l'aluminium s'appelle la bauxite ; en Guinée, on l'exploite notamment à Boké (ou Fria, Kindia).
3Exercice 3
Un lingot d'aluminium a un volume de 500 cm³.
a) Calcule sa masse (ρ = 2,7 g/cm³).
b) Quelle serait la masse d'un lingot de même volume en fer (ρ = 7,9 g/cm³) ?
c) Combien de fois le lingot de fer est-il plus lourd ? (arrondis au dixième)
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a) m = ρ × V = 2,7 × 500 = 1 350 g, soit 1,35 kg.
b) m = 7,9 × 500 = 3 950 g, soit 3,95 kg.
c) 3 950 ÷ 1 350 ≈ 2,9. Le lingot de fer est environ 2,9 fois plus lourd.
4Exercice 4
Une pièce métallique a une masse de 445 g et un volume de 50 cm³.
a) Calcule sa masse volumique.
b) À l'aide du tableau (Al 2,7 ; Zn 7,1 ; Fe 7,9 ; Cu 8,9 ; Pb 11,3 ; Au 19,3 g/cm³), identifie le métal.
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a) ρ = mV = 44550 = 8,9 g/cm³.
b) Cette valeur correspond au cuivre.
5Exercice 5
(Type BEPC) Mariama lit dans un journal : « Pour les lignes électriques à haute tension, on utilise des câbles en aluminium, parfois renforcés d'une âme en acier. »
a) Cite deux propriétés de l'aluminium qui justifient ce choix.
b) Pourquoi n'utilise-t-on pas le cuivre, pourtant meilleur conducteur ?
c) À ton avis, à quoi sert l'âme en acier ?
d) Un câble d'aluminium de 1 km a une section de 2 cm². Calcule son volume en cm³, puis sa masse en kg.
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a) L'aluminium est léger (2,7 g/cm³) et bon conducteur de l'électricité ; il résiste aussi bien à la corrosion et coûte moins cher que le cuivre.
b) Le cuivre est plus de trois fois plus lourd (8,9 ÷ 2,7 ≈ 3,3) et plus cher : les câbles seraient trop lourds pour les poteaux et la ligne coûterait beaucoup plus.
c) L'aluminium est assez mou ; l'âme en acier, très solide, empêche le câble de s'allonger ou de casser sous son propre poids.
d) Longueur : 1 km = 1 000 m = 100 000 cm. Volume : V = 2 × 100 000 = 200 000 cm³. Masse : m = 2,7 × 200 000 = 540 000 g = 540 kg.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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