Jusqu’où peut-on étirer l’or ?
― Un gramme s’étale comme une double page de journal et laisse passer une lumière verte
Une feuille d’or mesure environ un dix-millième de millimètre d’épaisseur. C’est des centaines de fois moins qu’un cheveu, et seulement quelques centaines d’atomes empilés. Pourtant, elle tient d’un seul tenant, sans se déchirer. On le doit à la façon dont les atomes d’un métal sont liés, et à une qualité de l’or : il ne rouille pas.
Pour le Nouvel An, des paillettes d’or flottent dans le saké ou sur un gâteau. Elles sont si légères qu’un simple souffle les fait voler quand on essaie de les attraper avec des baguettes.
L’éclat doré des statues de Bouddha dans les temples ou des paravents est, le plus souvent, fait de ces feuilles collées. Ce ne sont pas des blocs d’or massif.
Alors, quelle est la finesse de cette feuille ? Et pourquoi l’or s’étale-t-il sans casser, alors qu’une pierre ou du verre éclate sous le marteau ?
Deux raisons seulement expliquent cette finesse
Les atomes d’un métal tiennent ensemble grâce à des électrons partagés par tous. Quand le martelage décale les atomes, le lien reste intact.
Aminci, la plupart des métaux réagissent avec l’air et se transforment en « rouille » fragile. L’or ne réagit presque pas : même extrêmement fin, il reste de l’or.
La première raison vaut pour « tous les métaux ». La seconde rend l’or exceptionnel. Voyons-les tour à tour.
Pourquoi certains matériaux cassent et d’autres s’étirent ?
Un grain de sel frappé au marteau part en miettes. Le sel est fait de particules chargées positivement et de particules chargées négativement, disposées en alternance. Comme à droite de la figure 1, un coup décale la rangée d’un cran : des charges positives se retrouvent face à face. Les charges de même signe se repoussent, et le cristal se fend le long de ce plan.
Pour un métal, c’est différent. Comme à gauche de la figure 1, ses atomes baignent dans une « mer » d’électrons libres. C’est cette mer entière qui lie les atomes entre eux. Si les rangées se décalent, la même mer d’électrons entoure les mêmes atomes plus loin. Le lien ne se rompt donc pas.
Quand on martèle l’or, ces « décalages » se produisent partout dans les plans d’atomes. L’épaisseur diminue, et l’or s’étale d’autant sur les côtés. Le volume ne change pas : si l’épaisseur est divisée par deux, la surface est doublée.
Pourquoi l’or seul peut-il atteindre un dix-millième de millimètre ?
L’aluminium et le cuivre s’amincissent eux aussi sous le marteau. Le papier d’aluminium de la cuisine mesure environ un centième de millimètre. Mais en dessous, 100 fois plus fin, les autres métaux ont un problème.
La surface d’un métal réagit avec l’oxygène de l’air et forme une couche de « rouille » très mince. Sur une plaque épaisse, que quelques nanomètres de surface changent, cela ne compte pas. Mais quand la feuille entière ne fait que quelques centaines d’atomes, la part de rouille devient importante. Or la rouille ne s’étire pas comme le métal : la feuille devient fragile et s’effrite.
L’or ne réagit presque pas avec l’air ni avec l’eau. C’est pourquoi l’éclat des statues de Bouddha ne se ternit pas en plusieurs siècles. Même aminci à quelques centaines d’atomes, il reste métal jusqu’au bout.
Avec le curseur de la figure 2, changez l’épaisseur de la feuille. Vous verrez jusqu’où un gramme d’or s’étale selon l’épaisseur.
Les artisans doreurs ajoutent à l’or un peu d’argent ou de cuivre, l’intercalent entre des papiers spéciaux et le martèlent à répétition. Ils le découpent en cours de route, puis recommencent, pour obtenir au final une feuille d’environ un dix-millième de millimètre.
L’or paraît doré parce qu’il renvoie bien la lumière rouge et jaune, et absorbe une partie de la lumière bleue. Quand il est aussi fin qu’une feuille, une partie de la lumière non renvoyée passe de l’autre côté. Il s’agit surtout du bleu-vert, que l’or renvoie peu. Au XIXᵉ siècle, Faraday s’est appuyé sur ce phénomène pour étudier en détail les rapports entre l’or et la lumière.
En résumé
Les atomes d’un métal baignent dans une mer d’électrons : même décalés par les coups de marteau, ils restent liés et le métal s’étale sans casser. De plus, l’or ne réagit pas avec l’air, donc il reste de l’or même réduit à quelques centaines d’atomes d’épaisseur. Ainsi, un gramme d’or devient une feuille grande comme une double page de journal.
La finesse de la feuille d’or est un record signé de la main de l’artisan
et d’atomes qui « glissent sans se séparer et ne rouillent pas ».
Pourquoi les métaux brillent est expliqué dans « Pourquoi les métaux brillent-ils ? », et l’origine de l’odeur sur les mains après avoir touché du métal dans « Pourquoi les mains sentent-elles le fer après avoir touché une rampe ? ».
- Procurez-vous une feuille d’or alimentaire (vendue pour la pâtisserie) et soulevez-la délicatement avec une pince à épiler ou la pointe d’un pique en bambou.
- Placez-la devant une fenêtre lumineuse ou une lampe, et regardez la lumière à travers. Elle doit paraître bleu-vert, et non dorée.
- Pour comparer, faites de même avec du papier d’aluminium. Il ne laisse passer aucune lumière, car il est environ 100 fois plus épais.
La feuille d’or est si légère qu’un souffle l’emporte. Gardez la bouche fermée et travaillez dans une pièce sans courant d’air. Vous pouvez aussi écraser un grain de sel avec le dos d’une cuillère et comparer la façon dont il se brise.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de chimie du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés de l’université (science des matériaux, physique du solide), hors programme du lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, non enseignés comme acquis, même à l’université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Malléabilité : propriété de s’étaler en lame mince sans casser sous les coups ou la pression. Elle est commune aux métaux.
- Ductilité : propriété de s’étirer en fil fin sans rompre quand on tire. L’or est, pour la malléabilité comme pour la ductilité, parmi les meilleurs métaux.
- Liaison métallique : liaison où les atomes partagent des électrons qui les enveloppent tous et les lient. C’est la « mer d’électrons » de la figure 1.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : sur combien de mètres carrés un gramme d’or s’étale-t-il ?
Le martelage ne change pas la quantité d’or, donc le volume reste constant. Le volume vaut « surface × épaisseur » : une fois l’épaisseur fixée, la surface s’en déduit.
| En symboles | A ＝ m ÷ ( ρ × t ) |
| En mots | Surface étalée ＝ masse d’or ÷ (masse volumique × épaisseur de la feuille) |
| D’où vient-elle ? | De la conservation du volume. Le volume vaut « masse ÷ masse volumique » et ne change pas sous le marteau. On l’écrit « surface × épaisseur » et on résout pour la surface. |
| A | Surface étalée (en centimètres carrés) |
| m | Masse d’or (grammes) |
| ρ | Masse volumique de l’or (grammes par centimètre cube) |
| t | Épaisseur de la feuille (centimètres) |
| Masse d’or | 1 gramme |
| Masse volumique de l’or | 19,3 grammes par centimètre cube |
| Épaisseur de la feuille d’or (0,1 micromètre) | 0,00001 centimètre |
| Taille d’un atome d’or | environ 0,29 nanomètre |
| Épaisseur du papier d’aluminium | environ 0,01 millimètre |
| Volume d’un gramme d’or (centimètres cubes) | 1 ÷ 19,3 ≒ 0,0518 |
| Divisé par l’épaisseur, on obtient la surface (centimètres carrés) | 0,0518 ÷ 0,00001 ＝ 5180 |
| Conversion en mètres carrés | 5180 ÷ 10000 ＝ 0,518 |
| Épaisseur de 100 nanomètres divisée par la taille d’un atome | 100 ÷ 0,29 ≒ 345 |
| Combien de fois le papier d’aluminium est-il plus épais que la feuille d’or ? | 0,01 ÷ 0,0001 ＝ 100 |
Un gramme d’or s’étale sur environ 0,52 mètre carré, un peu plus qu’une double page de journal (environ 0,44 mètre carré). L’épaisseur vaut environ 340 atomes, soit seulement un centième de celle du papier d’aluminium.
LycéeLycée+Types de cristaux et façons de se briser
LycéeEn chimie, on classe les solides en cristaux ioniques, cristaux métalliques, cristaux covalents et cristaux moléculaires. Un cristal ionique, soumis à une force, se fend le long de plans précis : c’est le « clivage ». Dans un cristal métallique, les électrons libres assurent la cohésion, d’où la malléabilité et la ductilité.
Lycée+L’or, l’argent, le cuivre et l’aluminium ont un empilement « cubique à faces centrées ». Cet arrangement offre de nombreuses combinaisons de plans et de directions de glissement, ce qui le rend particulièrement étirable. Que l’or ne rouille pas correspond à sa place à l’extrémité du tableau de la tendance à l’ionisation.
Univ.Les atomes glissent « une rangée à la fois » ― les dislocations
Si un plan entier d’atomes glissait d’un bloc, il faudrait, d’après le calcul, une force des milliers de fois supérieure à celle observée. Un métal réel se déforme sous une faible force parce que son cristal contient des défauts d’alignement appelés « dislocations », qui se déplacent peu à peu. C’est un peu comme faire avancer un pli dans un tapis pour le déplacer petit à petit. À force de martelage, les dislocations s’enchevêtrent et le métal durcit (écrouissage). On intercale donc parfois un « recuit » : on chauffe pour remettre les atomes en ordre.
📖 Dérivations et pour aller plus loin : Dislocation (Wikipédia, en japonais) ／ Malléabilité et ductilité (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe que l’on ne comprend pas encore bien
- On ne sait pas prédire, à partir des atomes, comment un métal durcit. Calculer précisément, depuis l’arrangement des atomes, l’enchevêtrement d’innombrables dislocations reste un défi.
- Aminci à quelques atomes, l’or se comporte comme une autre substance. On sait que de petits grains d’or de quelques nanomètres servent de catalyseurs (ils facilitent des réactions chimiques), ce que l’or massif ne fait pas. Les détails de la raison font encore l’objet de recherches.
- Jusqu’où peut-on l’amincir ? Des travaux rapportent des films d’or épais de quelques atomes. Mais l’épaisseur à partir de laquelle les propriétés basculent dépend, dit-on, de la méthode de fabrication et des conditions.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication dans l’état actuel des connaissances ». La feuille d’or est une technique vieille de plusieurs siècles, mais ce que font les atomes à l’intérieur est encore à l’étude.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l’article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1ʳᵉ année « Les matériaux autour de nous » (propriétés des métaux), masse volumique | Malléabilité, calcul de la surface d’un gramme |
| Lycée | Chimie de base « Liaisons chimiques » (liaison métallique, cristaux ioniques) | Figure 1 : s’étirer ou se briser |
| Lycée+ | Chimie « Réseaux cristallins », tendance à l’ionisation | Cubique à faces centrées, pourquoi l’or ne rouille pas |
| Univ. | Science des matériaux, physique du solide (théorie des dislocations, déformation plastique) | Dislocations, écrouissage, recuit |
| Recherche | Nanomatériaux, catalyse par nanoparticules d’or | Propriétés de l’or de quelques atomes d’épaisseur |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Feuille d’or alimentaire, éclat des statues de Bouddha et des paravents, papier d’aluminium |
- M. Faraday (1857) "Experimental relations of gold (and other metals) to light", Philosophical Transactions of the Royal Society of London 147
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., Rika nenpyō (理科年表), Maruzen Publishing (masse volumique de l’or)
- C. Kittel, Introduction à la physique du solide (『固体物理学入門』), Maruzen Publishing (liaison métallique, dislocations)
- Wikipédia (japonais) « 転位 » (dislocation)
- Manuels de « chimie de base » (化学基礎) du lycée japonais, chapitres sur les liaisons chimiques et les cristaux
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur, données pour comprendre les mécanismes. L’épaisseur et la surface d’une feuille d’or varient selon la méthode de fabrication et la qualité.