Karamö, le prof virtuelLeçon 13 sur 22
Les métaux et les alliages
Je sais ce qu'est un alliage, je connais les principaux alliages et je sais calculer la masse de chaque constituant à partir de sa composition.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir un métal pur et un alliage
- Citer la composition et l'usage des principaux alliages (acier, fonte, inox, bronze, laiton, duralumin, or à carats)
- Expliquer pourquoi un alliage est souvent plus dur qu'un métal pur
- Calculer la masse d'un constituant à partir d'un pourcentage ou d'un nombre de carats
Avant de commencer : Les propriétés des métaux et leurs usages (leçons précédentes) ; la notion de pourcentage.
1Je découvre
Aïssatou accompagne sa mère chez un bijoutier de Siguiri. Le bijoutier pèse une petite pépite d'or pur, puis ajoute dans le creuset un peu de cuivre et d'argent avant de faire fondre le tout. Aïssatou est choquée : « Pourquoi mélanger de l'or pur avec d'autres métaux ? Vous gâchez l'or ! »
Le bijoutier explique : « L'or pur est très mou. Une bague en or pur se raye et se tord en quelques semaines. En ajoutant un peu de cuivre et d'argent, je fabrique un alliage plus dur, qui résiste mieux. On dit que c'est de l'or 18 carats. »
Le soir, Aïssatou remarque que la marmite de la cuisine, les fers à béton de la maison voisine et la cloche de l'école ne sont pas non plus faits de métaux purs.
Qu'est-ce qu'un alliage, et pourquoi en fabrique-t-on autant ?
2Je comprends
1. Métal pur et alliage
Un métal pur ne contient qu'une seule sorte d'atomes : par exemple du cuivre pur ne contient que des atomes de cuivre (symbole Cu).
Un alliage est un mélange d'un métal principal avec un ou plusieurs autres éléments (d'autres métaux ou parfois un non-métal comme le carbone). On l'obtient en général en faisant fondre les constituants ensemble, puis en laissant refroidir. L'alliage garde l'aspect d'un métal (éclat, conduction), mais il a des propriétés nouvelles.
Attention : un alliage n'est pas un corps pur. Sa composition peut varier, et on l'indique en pourcentage en masse de chaque constituant.
2. Pourquoi fabriquer des alliages ?
Un alliage permet d'améliorer une propriété du métal pur :
- la dureté et la solidité : l'acier est plus dur que le fer pur, l'or 18 carats plus dur que l'or pur ;
- la résistance à la corrosion : l'acier inoxydable ne rouille pas, contrairement au fer ;
- la température de fusion : la soudure étain-plomb fond vers 183 °C, alors que l'étain pur fond à 232 °C et le plomb pur à 327 °C ;
- la couleur ou l'aspect : le laiton est jaune doré ;
- le prix : mélanger l'or à du cuivre donne un bijou moins cher qu'en or pur.
3. Pourquoi un alliage est-il plus dur ?
Dans un métal pur, les atomes sont tous identiques et rangés en couches régulières. Quand on frappe le métal, ces couches glissent facilement les unes sur les autres : le métal se déforme, il est mou.
Dans un alliage, des atomes de taille différente se glissent entre les atomes du métal principal. Ils bloquent le glissement des couches : l'alliage est plus dur, il se déforme moins.
- une seule sorte d'atomes
- couches régulières qui glissent
- souvent mou et malléable
- corps pur : composition fixe
- exemple : fer, cuivre, or pur
- au moins deux sortes d'atomes
- couches bloquées par d'autres atomes
- plus dur, plus résistant
- mélange : composition en %
- exemple : acier, bronze, or 18 carats
4. Les principaux alliages
| Alliage | Composition | Propriétés | Usages |
|---|---|---|---|
| Acier | fer + moins de 2 % de carbone | dur, solide, se travaille bien | fers à béton, outils, rails, charpentes |
| Fonte | fer + environ 2 à 5 % de carbone | dure mais cassante, se moule bien | marmites en fonte, pièces de moteurs, grilles |
| Acier inoxydable (inox) | fer + au moins 10,5 % de chrome (souvent avec du nickel) | ne rouille pas | couverts, éviers, matériel médical |
| Bronze | cuivre + étain | dur, résiste à la corrosion | cloches, statues, médailles |
| Laiton | cuivre + zinc | jaune doré, facile à usiner | robinets, serrures, instruments de musique |
| Duralumin | aluminium + un peu de cuivre, de magnésium et de manganèse | léger et solide | avions, cadres de vélos |
| Or 18 carats | 75 % d'or + cuivre et/ou argent | plus dur que l'or pur | bijoux |
| Soudure | étain + plomb (ou étain + cuivre, argent) | fond à basse température | assemblage des circuits électriques |
L'acier est de loin l'alliage le plus utilisé. Le bronze est l'un des plus anciens : les humains l'utilisaient déjà il y a des milliers d'années, à une époque qu'on appelle l'âge du bronze.
5. Calculer la composition d'un alliage
Si un alliage contient p % d'un constituant, la masse de ce constituant dans un objet de masse m est :
mconstituant = m × p100
Pour l'or, on utilise le carat : l'or pur vaut 24 carats. Un or de k carats contient la fraction k24 d'or en masse. Ainsi, l'or 18 carats contient 1824 = 34 = 75 % d'or.
Méthode
Pour calculer la masse d'un constituant dans un alliage :
- J'écris la masse totale m de l'objet.
- Je trouve la proportion du constituant : p % (ou k/24 pour l'or).
- Je calcule m × p / 100 (ou m × k / 24).
- Je vérifie que la somme des masses des constituants redonne la masse totale.
Exemple
Un robinet en laiton a une masse de 400 g. Le laiton contient 65 % de cuivre et 35 % de zinc. Calcule la masse de chaque métal.
Cuivre : 400 × 65 / 100 = 260 g.
Zinc : 400 × 35 / 100 = 140 g.
Vérification : 260 + 140 = 400 g. Juste.
Exemple
Une bague en or 18 carats pèse 8 g. Quelle masse d'or pur contient-elle ?
Proportion d'or : 18/24 = 0,75, soit 75 %.
Masse d'or : 8 × 0,75 = 6 g.
Les 8 − 6 = 2 g restants sont du cuivre et/ou de l'argent.
Exemple
Un bijoutier dispose de 9 g d'or pur. Quelle masse de bijou en or 18 carats peut-il fabriquer ?
L'or représente 75 % de la masse du bijou : 0,75 × m = 9, donc m = 9 ÷ 0,75 = 12 g.
Il doit ajouter 12 − 9 = 3 g de cuivre et/ou d'argent.
3Je retiens
Je retiens
Un alliage est un mélange d'un métal principal avec d'autres éléments (métaux ou carbone), obtenu par fusion.
Un alliage est souvent plus dur, plus résistant à la corrosion ou fond plus bas que le métal pur.
Acier = fer + moins de 2 % de carbone ; fonte = fer + environ 2 à 5 % de carbone ; inox = fer + chrome (+ nickel).
Bronze = cuivre + étain ; laiton = cuivre + zinc ; duralumin = aluminium + cuivre, magnésium, manganèse.
L'or pur vaut 24 carats ; l'or 18 carats contient 18/24 = 75 % d'or.
Masse d'un constituant = masse totale × p / 100.
4Erreurs fréquentes
- Confondre bronze et laiton : le bronze est du cuivre avec de l'étain, le laiton du cuivre avec du zinc.
- Croire qu'un alliage est un corps pur : c'est un mélange, dont la composition peut varier.
- Penser que 18 carats signifie 18 % d'or : cela signifie 18 parts sur 24, soit 75 % d'or.
- Croire que l'acier et la fonte sont des métaux purs : ce sont deux alliages de fer et de carbone, qui diffèrent par la teneur en carbone.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Réponds par vrai ou faux et corrige les phrases fausses.
a) Le fer pur est un alliage.
b) Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain.
c) L'acier contient plus de carbone que la fonte.
d) Un alliage est généralement plus dur que le métal pur principal.
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a) Faux : le fer pur est un métal pur, pas un alliage.
b) Vrai.
c) Faux : l'acier contient moins de carbone que la fonte (moins de 2 % contre environ 2 à 5 %).
d) Vrai : les atomes ajoutés bloquent le glissement des couches d'atomes.
2Exercice 2
Donne le nom de l'alliage correspondant à chaque description.
a) Alliage de cuivre et de zinc, de couleur jaune doré.
b) Alliage de fer et de chrome qui ne rouille pas.
c) Alliage léger à base d'aluminium, utilisé en aéronautique.
d) Alliage de fer et d'environ 3 % de carbone, qui se moule bien.
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a) Le laiton. b) L'acier inoxydable (inox). c) Le duralumin. d) La fonte.
3Exercice 3
Une cloche en bronze pèse 50 kg. Le bronze utilisé contient 80 % de cuivre et 20 % d'étain. Calcule la masse de cuivre et la masse d'étain.
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Cuivre : 50 × 80100 = 40 kg. Étain : 50 × 20100 = 10 kg.
Vérification : 40 + 10 = 50 kg.
4Exercice 4
Un collier en or 14 carats a une masse de 12 g.
a) Quelle fraction de la masse est de l'or ? Donne-la aussi en pourcentage (arrondi à l'unité).
b) Calcule la masse d'or pur qu'il contient.
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a) La fraction d'or est 1424 = 712 ≈ 0,583, soit environ 58 %.
b) Masse d'or : 12 × 1424 = 16824 = 7 g.
5Exercice 5
(Type BEPC) Ibrahima, soudeur à Labé, répare un circuit avec un fil de soudure étain-plomb.
a) Qu'est-ce qu'un alliage ?
b) L'étain pur fond à 232 °C et le plomb pur à 327 °C. La soudure étain-plomb fond vers 183 °C. Quel avantage cela présente-t-il pour souder un circuit électrique ?
c) La bobine de soudure pèse 250 g et contient 60 % d'étain. Calcule la masse d'étain et la masse de plomb.
d) Le plomb est toxique. Donne une précaution à prendre quand on soude.
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a) Un alliage est un mélange d'un métal principal avec un ou plusieurs autres éléments, obtenu par fusion.
b) La soudure fond à une température plus basse que chacun des deux métaux purs : on peut souder rapidement sans abîmer les composants ni les fils du circuit par la chaleur.
c) Étain : 250 × 60100 = 150 g. Plomb : 250 - 150 = 100 g.
d) Travailler dans un endroit aéré, ne pas respirer les fumées, se laver les mains après avoir manipulé la soudure et ne pas manger en travaillant.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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