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L'or : l'élément et le métal

Dossier - L'or, la magie des alchimistes
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L'or : matière noble, monnaie de référence, magie et mystère de ce qui est rare et précieux, l'or ne laisse personne indifférent. Découvrons l'élément, le métal, un peu aussi des mythes qui lui sont liés et son histoire…

  
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Éclatant comme le Soleil, l'or pur est un métal inaltérable. Est-ce cela qui le rend si prisé, plus que sa rareté ?

L'or un métal fascinant. © Nawalescape, Pixabay, DP

Les éléments natifs

Les éléments du tableau ne contiennent qu'un groupe peu nombreux de minéraux, et on ne les trouve que rarement à l'état natif. Sur les 103 éléments chimiques actuellement connus, il n'en existe que 22 sous forme de minéraux.

On y distingue deux catégories.

Les métaux

  • L'argent / silver (Ag Cubique, D = 10 - 11)
  • Le cuivre / Copper (Cu Cubique, D = 8.9)
  • Le fer / Iron-nickel (rare) (Fe Cubique, D = 7.3 - 7.8)
  • Le mercure et les amalgames / Mercury (Hg Hexagonal, D = 13.6)
  • L'or / Gold (Au Cubique, D = 19.3)
  • Le platine / Platinium (Pt Cubique, D = 21.5)
  • Le plomb / Lead (rare) (Pb Cubique, D = 8.9)

Les non métaux

  • L'antimoine / Antimony (Sb Hexagonal, D = 6.6 - 6.7)
  • L'arsenic / Arsenic (rare) (As Hexagonal, D = 5.7)
  • Le diamant / Diamond (C Cubique, D = 3.52)
  • Le graphite / Graphite (C Hexagonal, D = 2.1 - 2.3)
  • Le soufre / Sulfur (S Orthorhombique, D = 2)

L'or et l'écorce terrestre

L'or est, par importance de quantité, le 75e élément constituant l'écorce terrestre. Cette dernière en contient 4.10-7 % jusqu'à une profondeur de 16 kilomètres. L'eau de mer en contient un peu, quelques milligrammes par tonne sous forme soit de particules fixées, soit sous forme d'ions AuCl4-.

L'or, ce métal recherché. © Webmineral, Tous droits réservés

Symbole Au
Système : cubique
Densité : d : 15,5 - 19,3
Dureté : 2,7
Propriétés : peu dur, très lourd, ductile, malléable
Clivage : non
Couleur : jaune ou rouge ou blanc même vert...
Éclat : métallique vif
Transparence : opaque
Très facilement associé à Ag mais aussi à Cu...
Métal et minéral rarement en cristaux nets (octaèdres). En agrégats maclés, en lamelles, réticulé, dendritique, en arborescence, filiforme.

Principaux minerais d'or

  • Calavérite  (Au, Ag) Te2 avec une teneur théorique de 43,59 % d'or, monoclinique.
  • Krennerite a la même formule mais pas le même système cristallin, rhombique.
Cavalérite. © Webmineral, Tous droits réservés
  • Nagyagite Pb13Au2Sb3Te6S16 avec une teneur de 8,33 %, système rhombique.
  • Petzite Ag3AuTe2 ou (Ag,Au)2 Te, teneur de 25 % environ, système cubique.
Sylvanite. © Webmineral, Tous droits réservés
  • Hessite, Ag2Te minéral souvent associé à de grandes quantités d'or.
  • Sylvanite AgAuTe4 ou Te2, teneur d'environ 25 %, système monoclinique.
Hessite. © Webmineral, Tous droits réservés

Les pépites des placers, or métallique, sont cristallisées dans le système cubique faces centrées (la plus grosse pépite connue qui pèse 350 kg se nomme Bill End et vient des Nouvelles Galles du Sud en Australie).

Système CFC.

L'or coexiste très souvent avec l'argent (électrum, alliage naturel) dans les minerais, leur rayons ioniques sont voisins, de même avec le cuivre (sous forme d'auricuivrure, porpezite), plus rarement avec le fer, le mercure, le platine, le bismuth ou l'uranium... Certains minéraux sont souvent associés à l'or : sulfures, quartz, arsénopyrite, cobaltite, pyrite, stibine...

Diagramme triangulaire Au-Ag-Cu qui donne les couleurs de l'or en fonction des concentrations des autres métaux présents.

Propriétés atomiques

Numéro atomique : Z = 79
Masse atomique : 196.96655 u
Rayon atomique : 135 pm
Rayon de covalence : 144 pm
Rayon de van der Waals:  166 pm
Configuration électronique : Xe 4f14 5d10 6s1, c'est le premier élément du tableau à posséder cinq couches électroniques saturées.
États d'oxydation (oxyde) 3, 1 amphotère
Isotopes : 197Au est stable avec 118 neutrons, à l'état naturel. Il semble qu'il existe un isotope radioactif de même masse, son rayonnement très faible et mal défini pourrait avoir une influence sur la croissance des plantes.
196Au avec T1/2 = 5,6 jours
198Au avec T1/ 2 = 2,7 jours
199Au avec T1/2 = 3,15 jours.

Propriétés physiques

État de la matière solide
Température de fusion : 1337.33 K
Température de vaporisation : 3129 K
Volume molaire : 10.21 ×10-6 m3/mol
Énergie de vaporisation : 334.4 kJ/mol
Énergie de fusion : 12.55 kJ/mol
Pression de la vapeur : 0.000237 Pa à 1337 K
Vélocité du son : 1740 m/s à 293.15 K

Les propriétés mécaniques varient selon les impuretés résiduelles et les traitements que l'or a subi avant le test mais la ductilité, la malléabilité, l'adhésivité des feuilles d'or sont des propriétés très remarquables de l'or. Citons pour exemple qu'avec un gramme d'or on peut faire un fil de deux kilomètres ! Et qu'on réalise des films d'or d'épaisseur inférieure à 10-5 mm. Avec 30 g, on peut faire une feuille de 30 m2, ceci à titre indicatif, juste pour fixer les idées !

Il en va de même des propriétés thermiques, optiques et électriques.

L'or est diamagnétique

Électronégativité : 2.54 (Échelle de Pauling)
Capacité calorique spécifique : 128 J/(kg*K)
Conductivité électrique : 09.66 106/m ohm
Résistivité : 2,04.10-6 ohm.cm à 0°
Conductivité thermique : 317 W/(m*K)
Coefficient de dilatation linéaire : 14,66.10-6
1er Potentiel d'ionisation : 890 kJ/mol
2e Potentiel d'ionisation : 1980 kJ/mol
Potentiel d'électronégativité : Eo = 1,46 V ou 1,68 V selon les auteurs pour une concentration d'un ion-g d'or monovalent pour 1.000 g d'eau et de 1,38 ou 1,39 pour l'or trivalent.

On peut remarquer quand même :

  • que la biréfringence augmente avec la longueur d'onde dans les dépôts cathodiques ;
  • que l'or en couches minces a une résistance électrique anormalement élevée ;
  • que la résistivité d'un dépôt d'or de deux micromètres à 20 degrés est plus grande que celle de l'or compact ;
  • que l'or est le métal le plus électronégatif, ce qui lui donne de nombreuses applications industrielles. Les bains utilisés sont des chlorures, bromures, cyanures ou ferrocyanures...

L'or pur est inaltérable 

C'est vraisemblablement cela qui en fait un métal si prisé, plus que sa rareté. Cela lui a aussi donné une grande charge symbolique, dès sa découverte par l'Homme. Inaltérable, comme les dieux éternels, éclatant comme le Soleil : son nom vient du latin aurum, signifiant aurore. En grec, or se dit chrysos, une statue d'or et d'ivoire est dite chryséléphantine ; de même chrysanthème se traduit par « fleur d'or ». L'or symbolise ainsi le pouvoir et le divin.

L'électrum est un mélange solide d'or et d'argent. © Webmineral, Tous droits réservés

Comment expliquer cette caractéristique ?

L'or est un métal noble, il est pauvre en électrons disponibles pour former des liaisons chimiques, dits électrons de valence. Il résiste remarquablement à l'action des produits chimiques. Avec l'or, encore plus qu'avec le platine, le palladium ou l'argent, car dans son atome, les orbites sur lesquelles se distribuent les électrons sont fortement serrées. Cette configuration est à l'origine de son fort potentiel d'ionisation, de sa densité et de son éclat jaune. Il ne peut donc pas se combiner avec l'oxygène : il ne s'oxyde pas, ni ne se ternit.

De l'expérience de Rutherford à la structure de l'atome

L'or est aussi dans l'histoire à l'origine d'une découverte fondamentale, celle de la structure de l'atome ! Lord Ernest Rutherford naquit en 1871, en Nouvelle-Zélande, et fit ses études dans deux universités différentes pour ensuite commencer sa carrière en enseignement de la physique à l'université McGill à Montréal de 1898 à 1907. Il continua dans ce domaine les douze années qui suivirent, mais dans des universités différentes. C'est en 1919 qu'il fut professeur de physique expérimentale et directeur du laboratoire Cavendish, à l'université Cambridge. En 1920, il occupa également une chaire de professeur, à l'Institution royale de Grande-Bretagne, à Londres.

Rutherford fut l'un des premiers et des plus importants chercheurs dans le domaine nucléaire. En 1896, la radioactivité fut découverte par Henri Becquerel. À ce moment, on comprit très vite que les rayonnements émis par l'uranium appartenaient à trois catégories différentes. Rutherford baptisa ces rayons alpha, bêta et gamma, du nom des trois premières lettres de l'alphabet grec. Les rayons gamma étaient semblables aux rayons lumineux, à la différence près que leur longueur d'onde était extrêmement courte. Les rayons bêta étaient des flots très rapides d'électrons. Tandis que les rayons alpha présentaient une innovation. Ils étaient des courants de particules bien plus massives que les électrons, soit de 7.000 fois plus massives. Malgré cela, les rayons alpha paraissaient vraiment petits, puisqu'ils pouvaient traverser de fines couches de matière, ce qu'aucun atome ne pouvait exécuter.

C'est pour cela que Rutherford décida de prendre des rayons alpha pour réaliser son expérience. Ernest Rutherford avait pour but de découvrir la structure de l'atome en observant les trajectoires des rayons alpha à travers la matière. Son expérience était tout simplement de bombarder une feuille d'or avec des rayons alpha.

Expérience Rutherford.

Un écran était placé à l'arrière afin de bien percevoir les résultats. Il pouvait faire cette observation lorsqu'apparaissaient des points brillants qui indiquaient à quel endroit les particules touchaient l'écran. Avec cette expérience, Rutherford s'attendait à une simple petite déviation, mais à sa grande surprise, ce n'est pas du tout cela qu'il a obtenu. Il a obtenu plutôt ceci (voir schéma ci-dessous) :

Feuille or Rutherford.

Plus précisément, cela veut dire qu'une très grande majorité des particules alpha traversaient la feuille d'or (3), tandis que d'autres déviaient lors du passage dans la feuille (1) et finalement, une très petite quantité de particules rebondissaient fortement en frappant la feuille d'or (2) d'une épaisseur très minime, soit d'un demi-micromètre. Rutherford fit connaître son interprétation en 1911.

Il en tire rapidement une conclusion qui remet en doute l'idée jusque-là admise que les atomes sont des sphères pleines. Une théorie révolutionnaire apparaît alors : l'atome est constitué principalement de vide. La théorie nucléaire de la matière est née.

S'ensuit la mise au point d'un nouveau modèle, la théorie du noyau atomique de Rutherford, très vite complété par le modèle imaginé par un physicien danois du nom de Niels Bohr qui a longtemps travaillé avec Ernest Rutherford.

Modèle atomique de Rutherford repris par Bohr.

En 1913, Bohr ébauche un modèle qui portera son nom. Les atomes sont faits de noyaux de taille négligeable face à celle de l'atome entier, noyaux qui représentent toutefois la quasi-totalité de la masse de l'atome. Autour de ce noyau se trouve un « cortège » électronique. Les électrons sont situés sur des orbites fixes et se déplacent autour du noyau un peu comme les planètes autour du Soleil. D'où le terme de « modèle planétaire » souvent employé pour définir le modèle de Bohr. Ce modèle a la particularité de permettre l'application de la théorie des quanta d'énergie. Les électrons peuvent « sauter » d'une orbite à une autre par gain ou perte d'un quantum d'énergie.

Conclusions

  • L'atome est surtout constitué de vide, puisque la plupart des rayons alpha traversent la feuille d'or, comme s'il n'y avait pas d'obstacle.
  • La masse de l'atome est concentrée en un point que Rutherford appela noyau. De plus, la charge de ce noyau est positive, car les particules alpha sont repoussées par le noyau.
  • Le noyau est extrêmement petit et dense puisqu'il n'y a qu'une très petite portion des particules qui rebondissent.
  • L'atome est neutre, c'est-à-dire qu'il y a autant de charges positives que de charges négatives.
  • Les charges négatives, de masse négligeable, quant à elles, gravitent autour du noyau.

Cette théorie relative à la structure atomique et ses travaux en physique nucléaire lui valurent le prix Nobel.

Propriétés chimiques de l'or

On est loin de la transmutation du mercure en or chère aux alchimistes du Moyen Âge, même si les chimistes ont essayé toutes sortes d'expériences à ce sujet. Une seule expérience a donné des résultats : des traces d'or y ont été mises en évidence par spectrométrie de masse. Il s'agit d'un bombardement de mercure avec des neutrons rapides selon les réactions suivantes :

  • 19880 Hg + 10n -> 19879 Au + 11p
  • 199 80 Hg + 10n -> 19979 Au + 11p

On le voit bien, rien à voir avec l'alchimie ici ! cette réaction a été obtenue par Sherr et Bainbridge et fut publiée en 1941.

Nous ne traiterons pas ici de l'or colloïdal pour lequel il existe une abondante bibliographie (voir quelques titres de référence en page biblio). Il faut savoir que cet or colloïdal est connu depuis le XVIe siècle... et que c'est le premier hydrosol connu. Il est utilisé en médecine et en biochimie entre autres.

Il n'y a guère que les halogènes comme corps simples qui peuvent former des composés avec l'or. La volatilité de l'or à haute température dans une atmosphère d'hydrogène est cependant attribuée à la formation d'un hydrure.

Action des acides sur l'or

Quelques acides concentrés à chaud entraînent une certaine solubilité non négligeable, par exemple dans le cas de l'acide nitrique concentré bouillant ! Mais l'acide sulfurique et phosphorique sont sans effet en dessous d'une température de 250 degrés !

En revanche une combinaison de deux acides, l'un servant d'oxydant à l'autre, attaque l'or et le dissout : il s'agit de l'eau régale un mélange d'acides chlorhydrique et nitrique ...

Action des bases : pas grand chose à signaler
Action des sulfures : pas grand chose non plus
Action des cyanures : voir chapitre sur l'extraction de l'or

Action catalytique de l'or

De très nombreuses réactions sont signalées dans la littérature en chimie minérale :

  • synthèse de l'eau entre 130 et 150 degrés en présence d'or réduit ;
  • synthèse de l'eau oxygénée à partir d'un mélange équimoléculaire d'hydrogène et d'oxygène sur un fil d'or chauffé électriquement ;
  • oxydation du monoxyde de carbone par l'oxygène ou le chlore moléculaires ;
  • décomposition du protoxyde d'azote.

Mais l'or n'est pas un catalyseur d'hydrogénations organiques, sauf pour la transformation de l'acétylène en éthylène et pour la réduction (chimie organique) du nitrobenzène en aniline.

Or natif sur quartz.

Retenons quelques composés de l'or Au+. On a déjà parlé de l'hydrure d'or et des conditions dans lesquelles on peut l'obtenir.

Composés avec le chlore

Il existe plusieurs chlorures. AuCl existe en 3 phases liées par des équilibres chimiques à diverses températures et pressions :

  • AuClAuCl + Cl2 et 2 AuCl 2 Au + Cl2 ;
  • les aurochlorures existent avec Ag, K,Cs, Na et NH4. On a une formule générale du type 2 M AuCl4 par exemple. Ce sont des sels stabilisés par un excès de chlorures alcalins ;
  • le réactif de Grignard AuCOCl, un complexe d'or, permet la préparation de certains hydrocarbures.

Composés avec le soufre

  • les aurothiosulfates avec par exemple, Na3 Au (S2O3)2. 2 H2O ;
  • les aurosulfites dans le même ordre d'idée, Na3 Au (SO3)2. 1,5 H2O ;
  • les aurosulfocyanures Au (SCN)2- ou Au (SCN)4-.

Composés avec le cyanure

  • les aurosulfocyanures Au (SCN)2ou Au (SCN)4- ;
  • les aurocyanures, en fait des sels doubles de Ni par exemple : Ni Au (CN)22 ;

Il en va de même pour Au++, chlorure, bromure et oxyde AuO, obtenu par pyrolyse de l'or trivalent hydraté entre 155 et 165 degrés, c'est dire que ce composé est « confidentiel », mais il existe !

De même, les composés avec Au+++ dont certains sont des composés mixtes comme, par exemple, Rb4AuCl42PbCl4.

Toutes ces réactions ne se font qu'en laboratoire et ont pour but de montrer que dans certaines conditions, on peut faire réagir l'or et obtenir des composés de celui-ci. Ceci reste rare et difficile !