SOMMAIRE - Épreuve HISTOIRE DES ARTS - Collège Longchamp à Marseille

Épreuve HISTOIRE DES ARTS
    “ Arts, espace, temps” et/ou “ Arts, techniques, expressions”

« Atomium » par l’ingénieur André Waterkeyn et érigé par les architectes
  André et Jean Polak pour l’Exposition universelle de 1958 à Bruxelles.

                        SOMMAIRE

* Description de l’œuvre (page 2-6)

* Aluminium et Acier inoxydable (pages 7-13)

* Atome (pages 14-20)

* Biographies (page 21)

* Expositions Universelles (pages 22-28)

Atomium

                                     Atomium miniature à Minimundus.

                                               Présentation

Date de construction 1958

    Dimensions           102 m

      Site web           www.atomium.be

                                                Géographie

        Pays                  Belgique

       Région            Bruxelles-Capitale

      Localité           Bruxelles

                                                Localisation

   Coordonnées              50° 53′ 42″ Nord 4° 20′ 29″ Est

 Géolocalisation sur la carte :                                        Bruxelles

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Représentation de l’Atomium.

L’Atomium est un monument de Bruxelles, en Belgique, construit à l'occasion de
l'Exposition universelle de 1958 et représentant la maille conventionnelle du cristal de fer
(phase cubique centré) agrandie 165 milliards de fois.

Les neuf sphères qui constituent le monument ne représentent pas une référence aux neuf
provinces belges de l’époque (aujourd’hui dix avec la scission du Brabant). Elles représentent
les neuf atomes constitutifs du cristal de fer. À l'origine, le concepteur du monument l'a
imaginé comme une référence aux sciences, thème de l'Expo ’58, et en particulier aux
sciences de l'atome en plein développement à cette époque, non comme référence à l'unité des
9 provinces du royaume qui n'était qu'une coïncidence.

En avril 2006, la Belgique a émis une pièce commémorative de 2 euros représentant
l'Atomium à l’occasion de sa réouverture.

Sommaire
      1 Description
      2 Rénovation
      3 Aménagement intérieur
      4 Droit d'auteur et l'interdiction des représentations
      5 Accessibilité
      6 Notes et références
      7 Voir aussi
           o 7.1 Liens externes

Description
L’Atomium a été imaginé par l’ingénieur André Waterkeyn et érigé par les architectes André
et Jean Polak pour l’Exposition universelle de 1958 à Bruxelles.

C’est un édifice à mi-chemin entre la sculpture et l’architecture qui culmine à 102 m. Son
acier de construction pèse 2 400 tonnes. Il est devenu, au même titre que le Manneken Pis et
la Grand-Place, un symbole de la capitale de la Belgique.

Il se compose d’une charpente d’acier portant neuf sphères reliées entre elles et revêtues, à
l'origine, d’aluminium.

Les sphères ont un diamètre de 18 mètres et pèsent chacune environ 250 tonnes.
Symboliquement, l’Atomium incarne l’audace d’une époque qui a voulu confronter le destin
de l’Humanité avec les découvertes scientifiques.

La construction de l’Atomium fut une prouesse technique. Sur les neuf sphères, six sont
rendues accessibles au public, chacune comportant deux étages principaux et un plancher
inférieur réservé au service. Le Tube central contient l’ascenseur le plus rapide de l’époque
(5 m/s) installé par la firme belge Schlieren (reprise plus tard par Schindler). Il permet à 22
personnes d’accéder au sommet en 23 secondes. Les escaliers mécaniques installés dans les
tubes obliques, comptent parmi les plus longs d’Europe. Le plus grand mesure 35 m de long.

L’Atomium, conçu pour durer six mois, n’était pas destiné à survivre à L’exposition
universelle de 1958, mais sa popularité et son succès en ont fait un élément majeur du paysage
bruxellois. Sa destruction fut donc reportée d’année en année jusqu’à ce que l'on y renonce.
Peu de travaux d’entretien furent cependant réalisés.

En 2013, la chaîne de télévision américaine CNN International a considéré l'Atomium comme
monument le plus « bizarre » d'Europe devant la Banknote building et la Casa Milà1,2.

Rénovation
Durant les années 1990, l’urgence d’une rénovation en profondeur devint une évidence.
Devant l’importance des investissements nécessaires, la question de la conservation d’une
construction qui n’était à l’origine destinée qu’à durer quelques mois fut à nouveau posée.
D'aucuns voulaient le démolir. Une alternative prévoyait de ne réparer que les surfaces
extérieures et d’abandonner l’exploitation de l’édifice. Devant les vives réactions suscitées
par ces deux éventualités, il fut décidé de procéder à une complète réhabilitation.

L'Atomium, au seuil du 21e siècle, présentait un aspect terni, il était fortement dégradé par
l’œuvre du temps, son étanchéité extérieure devenue inefficace et les éléments intérieurs de
décoration et de mobilier au charme des années 1950 très abîmés. Seule la structure pouvait
être conservée.

En 2001, le projet de rénovation est enfin lancé grâce à un partenariat entre l’État fédéral
belge, la Région de Bruxelles-Capitale et Bruxelles-ville.

La rénovation a été entamée en mars 2004 et a pris fin en février 2006. La couverture
originelle en aluminium a été remplacée par une nouvelle, plus résistante, en acier inoxydable.
Chaque sphère était recouverte à l’origine d’environ 720 triangles d’aluminium. Une partie
d’entre eux a été mise en vente en guise de souvenir. Tous ont été remplacés, pour chaque
sphère, par 48 grands triangles en acier inoxydable, ce qui est incontestablement plus indiqué
que l'aluminium pour une structure qui reproduit une maille de fer. En outre, ces nouvelles
plaques sont plus résistantes que les anciennes. Elles leur ressemblent cependant car elles
portent le dessin des triangles originels qu'elles remplacent, cela afin de conserver à
l'Atomium l'aspect que l'on avait appris à connaître depuis 1958. Comme à l'origine, sur
chacune des neuf sphères, des réseaux électriques animent celle-ci de points lumineux animés
de rapides mouvements circulaires reproduisant les électrons qui gravitent autour du noyau
atomique. Le travail de montage de ce nouveau revêtement a été effectué par une grue qui
amenait les plaques à leur emplacement où elles étaient mises en place par une équipe de
cordistes, procédé utilisé pour éviter l'installation d'énormes échafaudages.

Le pavillon d'accueil a été conçu par l'architecte Christine Conix3.

Le financement des travaux de rénovation est estimé à 27 millions d’euros.

L’inauguration de la structure rénovée a eu lieu le 14 février 2006.

Pour fêter la rénovation de l’Atomium, une pièce commémorative de 2 euros a été frappée en
mars 2006.

Aménagement intérieur
Des six sphères accessibles au public, la sphère de base est réservée à l’exposition permanente
consacrée aux années 1950, l’Exposition universelle et la construction de l’Atomium. Une
autre accueille des expositions temporaires, une troisième à vocation polyvalente peut
permettre l’organisation de différentes animations, films, concerts, fêtes ou conférences. Dans
la sphère centrale, un bar et dans la sphère supérieure, en plus du panorama, un restaurant. La
sixième sphère est la boule des enfants, destinée à l’organisation d’ateliers de pédagogie
urbaine, permettant aux enfants de six à douze ans d’y passer la nuit.

Le designer Ingo Maurer a dessiné des luminaires intérieurs de l’édifice.

Droit d'auteur et l'interdiction des représentations

Photo avec l'Atomium effacé.

A souvenir kerchief from the World Exhibition in Brussels in 1958. Atomium in the middle surrounded
by some of the participating countries' pavilions.

La Société belge des auteurs, compositeurs et éditeurs revendique la défense du droit d'auteur
de l'Atomium et, comme représentant des ayants droit, en interdit la publication d'images sans
contrepartie financière.

Bart Somers, président des Libéraux et démocrates flamands (VLD) et bourgmestre de
Malines a organisé un concours de photos dont sont effacées les représentations de
l'Atomium. Le but revendiqué serait de lutter contre les droits d'auteurs trop importants sur les
représentations du monument4.

Accessibilité

    Ce site est desservi par la station de métro : Heysel.

Notes et références
   1.   ↑ L'Atomium, monument le plus bizarre en Europe selon CNN [archive], Le Vif, 23 janvier 2012
   2.   ↑ 11 of Europe's most bizarre buildings [archive], CNN
   3.   ↑ http://www.bruxelles.be/artdet.cfm/5675 [archive]
   4.   ↑ « Bart Somers veut effacer les boules de l'Atomium » [archive] 2008 (consulté le 6 septembre 2009) : « Il
        entend ainsi organiser de manière ludique une "guérilla culturelle" contre les droits d'auteurs élevés
        qui sont exigés en cas de diffusion de reproductions de l'édifice-monument »

Voir aussi
Sur les autres projets Wikimedia :

       Atomium, sur Wikimedia Commons

Concernant les cas similaires d'architectes interdisant la reproduction photographique de leurs
œuvres :

       Liste des architectes qui interdisent les photographies de leurs œuvres architecturales en
        France

Liens externes

       Site officiel de l’Atomium
       Blog officiel de l'Atomium avec le calendrier de toutes les festivités du 50e anniversaire
       Webcam de l'Atomium
       Atomium : visite virtuelle

Aluminium

L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un
métal pauvre, malléable, de couleur argent, qui est remarquable pour sa résistance à
l’oxydation13 et sa faible densité. C'est le métal le plus abondant de l'écorce terrestre et le
troisième élément le plus abondant après l'oxygène et le silicium ; il représente en moyenne
8 % de la masse des matériaux de la surface solide de notre planète. L'aluminium est trop
réactif pour exister à l'état natif dans le milieu naturel : on le trouve au contraire sous forme
combinée dans plus de 270 minéraux différents, son minerai principal étant la bauxite, où il
est présent sous forme d’oxyde hydraté dont on extrait l’alumine. Il peut aussi être extrait de
la néphéline, de la leucite, de la sillimanite, de l'andalousite et de la muscovite.

L'aluminium métallique est très oxydable, mais est immédiatement passivé par une fine
couche d'alumine Al2O3 imperméable de quelques micromètres d'épaisseur qui protège la
masse métallique de la corrosion. On parle de protection cinétique, par opposition à une
protection thermodynamique, car l’aluminium reste en tout état de cause très sensible à
l'oxydation. Cette résistance à la corrosion et sa remarquable légèreté en ont fait un matériau
très utilisé industriellement.

L'aluminium est un produit industriel important, sous forme pure ou alliée, notamment dans
l'aéronautique, les transports et la construction. Sa nature réactive en fait également un
catalyseur et un additif dans l'industrie chimique ; il est ainsi utilisé pour accroître la
puissance explosive du nitrate d'ammonium.

La production mondiale de bauxite atteignait 211 millions de tonnes en 201014, l'Australie en
assurant 33,2 % devant la Chine (19,0 %), le Brésil (15,2 %), l'Inde (8,5 %) et la Guinée
(8,2 %) – la Guinée détient à elle seule plus du quart des réserves mondiales de bauxite,
estimées fin 2010 à 28 milliards de tonnes. La production mondiale d'aluminium métallique
s'est élevée à 41,4 millions de tonnes en 201015, dont la Chine a réalisé 40,6 % avec
16,8 millions de tonnes, loin devant la Russie (9,3 %) et le Canada (7,1 %)

Histoire

échantillon d' aluminium

En 1807, Humphry Davy, après avoir découvert que le sodium et le potassium entraient dans
la composition de l’alun, suppose qu’il s’y trouve aussi un autre métal, qu’il baptise
« aluminium » (en latin, « alun » se dit alumen). Pierre Berthier découvre dans une mine près
des Baux-de-Provence en 1821 un minerai contenant plus de 50 % d’oxyde d’aluminium. Ce
minerai sera appelé bauxite.

En 1825, le chimiste et physicien danois Hans Christian Ørsted réussit à produire une forme
impure du métal. Friedrich Wöhler approfondit les travaux d'Ørsted en 1827. Il isole
l’aluminium par action du potassium sur le chlorure d’aluminium, obtenant une poussière
grise d’aluminium est le premier à mettre en évidence les propriétés chimiques et physiques
de cet élément, dont la plus notable est la légèreté.

Le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville améliore en 1846 la méthode de Wöhler en
réduisant le minerai par le sodium. En 1854, il présente à l'Académie des sciences le premier

lingot d'aluminium obtenu, à l'état fondu, par voie chimique16. Il publie ses recherches dans
un livre en 1856. Cette méthode est utilisée de façon industrielle à travers toute l’Europe pour
la fabrication de l’aluminium (notamment en 1859 par Henry Merle dans son usine de
Salindres, berceau de la société Pechiney), mais elle reste extrêmement coûteuse, donnant un
métal dont le prix était comparable à celui de l'or (1200 et 1500 F or/kg et l'argent 210 F/kg
seulement). Le métal est alors réservé pour fabriquer des bijoux de luxe17, puis avec la baisse
des coûts, trouve des applications dans les ustensiles de cuisines et avec des alliages dans
l'industrie de l'aéronautique (alliage duralumin moins cassant créé en 1909), le câblage
électrique (almelec créé en 1921 et utilisé comme conducteur électrique). En 1901 naît
l’Aluminium Association (AA), cartel qui réunit les entreprises des quatre seuls pays
producteurs au monde (France, États-Unis, Allemagne, Royaume-Uni) et qui maintient le prix
de l'alumiminum stable alors que le cours des métaux concurrents subissent de plus grandes
fluctuations18. À la fin des années 1970, la production d’aluminium se contracte et l'arrivée de
nouveaux concurrents (Canada, Australie, Russie) font éclater le cartel qui ne contrôle plus
son prix dont la valeur décline19.

       1855 : Les nouveaux métaux sont exposés à l’exposition universelle de Paris. La société
        Pechiney est créée en France.
       Le premier site industriel producteur d’aluminium au monde s’installe à Salindres dans le
        Gard, et commence son activité dès 1860.
       1876 : William Frishmuth réalise la première coulée d’aluminium. En 1884, il réalise la coiffe
        du Washington Monument en ce métal.
       1886 : de manière indépendante, Paul Héroult et Charles Martin Hall, découvrent la méthode
        de production de l’aluminium en remarquant qu’il est possible de dissoudre l’alumine et de
        décomposer le mélange par électrolyse (procédé Héroult-Hall breveté) pour donner le métal
        brut en fusion. Pour cette découverte, Hall obtient un brevet (400655) la même année. Ce
        procédé permet d’obtenir de l’aluminium de manière relativement économique. La méthode
        mise au point par Héroult et Hall est toujours utilisée aujourd’hui.
       1887 : Karl Josef Bayer décrit une méthode connue sous le nom de procédé Bayer pour
        obtenir de l’alumine à partir de la bauxite. Cette découverte permet de faire entrer
        l’aluminium dans l’ère de la production de masse.
       1888 : les premières sociétés de production d’aluminium sont fondées en Suisse, France et
        aux États-Unis.
       de 1941 à 1959, la France a frappé des pièces de monnaie de 50 c, 1 F, 2 F et 5 F en
        aluminium. Auparavant, pendant la première guerre mondiale et dans les années 1920, de
        très nombreuses monnaies de nécessité avaient déjà été frappées en France et à l'étranger.

Isotopes
Article détaillé : Isotopes de l'aluminium.

L'aluminium possède 22 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 21 et 42, ainsi
que quatre isomères nucléaires. Seul 27Al est stable, ce qui fait de l'aluminium un élément
monoisotopique. Si le radioisotope 26Al existe également dans la nature (demi-vie de
7,17×105 années), l'abondance de 27Al est telle qu'on considère l'aluminium comme
mononucléidique et on lui attribue une masse atomique standard de 26,9815386(8) u. Tous les
autres isotopes de l'aluminium ont une demi-vie inférieure à 7 minutes, et la plupart d'entre
eux ont une demi-vie inférieure à une seconde.

Propriétés
Propriétés physiques

L’aluminium est un métal mou, léger, mais résistant avec un aspect argent-gris mat, dû à une
mince couche d’oxydation de cinq à dix nanomètres qui se forme rapidement quand on
l’expose à l’air et qui empêche la corrosion de progresser dans des conditions normales
d’exposition chimiques. Ce film composé d'alumine se forme spontanément très rapidement
quand l’aluminium est mis en contact avec un milieu oxydant comme l’oxygène de l’air. À la

différence de la plupart des métaux, il est utilisable même s’il est oxydé en surface. On peut
même dire que sans cette couche d’oxyde, il serait impropre à la plupart de ses applications. Il
est possible d’augmenter artificiellement l’épaisseur de cette couche d’oxydation par
anodisation, ce qui permet d’augmenter la protection et de décorer les pièces en colorant la
couche d’oxyde. Contrairement à l’aluminium qui est un très bon conducteur, l’oxyde
d’aluminium est un excellent isolant.

L’aluminium a une densité (2,7) environ trois fois plus faible que celle de l’acier ou du
cuivre ; il est malléable, ductile et facilement usiné et moulé. C’est le deuxième métal le plus
malléable et le sixième le plus ductile.

Il est paramagnétique et ne provoque pas d’étincelles.

Bombardé par un laser à électrons libres, l’aluminium devient transparent dans les ultraviolets
extrêmes20.

Propriétés chimiques

En solution, l’aluminium se trouve le plus généralement sous la forme d’ions Al3+. Il s’oxyde
lentement à froid et rapidement à chaud pour former l’alumine Al2O3. L’action des acides sur
l’aluminium produit l’ion cité plus haut.

La réaction de l'aluminium avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (soude) produit
de l’aluminate de sodium et du dihydrogène gazeux, selon une réaction exothermique
d’équation :

Les hydroxydes d’aluminium s’obtiennent en général en précipitant une solution contenant
des cations Al3+ à l’aide d’une base. Cette méthode permet de former selon les conditions de
précipitation différentes phases cristallographiques tel que la bayerite, la boehmite, la
gibbsite.

L’aluminium est aussi utilisé en tant que réducteur fort, notamment pour l’aluminothermie et
en pyrotechnie dans les feux d'artifice, où il joue un rôle similaire au magnésium, à moindre
coût et avec une puissance plus grande.

Cinétique dans l'organisme humain, et élimination
L'organisme d'un sujet sain contient au total de 30 à 50 mg (ATSDR 1999), surtout présent
dans l’os (+/- 50 %), le poumon (environ 25 %) et le foie (20 à 25 %). Le reste est partagé
dans d'autres organes, dont le système nerveux central et la rate. Les taux tissulaires et
notamment dans le poumon et le cerveau augmentent avec l’âge (ATSDR 1999).
Le traçage isotopique (isotope radioactif 26Al) d'aluminium injecté montre que 24 h après
l’injection, 99 % de l’aluminium sanguin est passé dans la fraction plasmatique. Peu à peu, le
taux intra-érythrocytaire augmente pour atteindre 14 %. L'aluminium se lie, dans le plasma,
préférentiellement à la transferrine (80 %), et à l'albumine à hauteur de 10 %, les 10 %
restants sont transportés par des protéines de bas poids moléculaire (LMW). L'Al-transferrine
se dépose surtout dans la rate et le foie (riches en récepteurs-transferrine), pendant que l'Al-
LMW se fixe dans l’os (qui ne contient pas de récepteurs-transferrine) 21. L'homme élimine
plus de 95 % de l'aluminium ingéré dans les fèces, et 83 % de l'aluminium qui aura passé la
barrière intestinale sera éliminé par voie urinaire (avec une fonction rénale normale, la dose
éliminée varie de 3 à 20 μg/ℓ d'urine 22,23,24,25. Des chélateurs (EDTA, déféroxamine...) en
accélèrent l'élimination). La demi-vie dans l'organisme varie selon l'importance et la durée
d’exposition et la durée de la redistribution de l’aluminium à partir des organes qui l'ont
stocké. Elle peut durer plusieurs années. Elle est triphasique : en phase 1, la moitié de
l'aluminium est éliminé en quelques heures, en phase deux, 50 % de ce qui reste est éliminé
en quelques semaines, et il faut habituellement plus d'un an pour éliminer la moitié du reste 26.

Toxicologie
Cette section doit être recyclée. Une réorganisation et une clarification du contenu sont nécessaires.
Discutez des points à améliorer en page de discussion.

Une des premières statues coulées en aluminium (1893), L’Ange de la charité chrétienne souvent
appelé Eros trônant sur le Shaftesbury Memorial situé à Piccadilly Circus, à Londres

Lingot d’aluminium

     Bauxite (Hérault)

      Dans certaines conditions l’aluminium est reconnu pour ses effets neurotoxiques27.
L'« encéphalopathie des dialysés » (ou « démence des dialysés ») observée dès 1972, a pu être
attribuée en 1978 à l'aluminium contenu dans le dialysat, qui s'ajoute à un apport oral d'hydroxyde
d'aluminium visant à contrôler l'hyperphosphorémie du patient28. Des personnes exposées à
l’aluminium (à la suite d'un traitement de dialyse) peuvent développer des complications au niveau
du système nerveux central, la myofasciite à macrophages29 l’encéphalopathie l’épilepsie et des

troubles de mémoire. L’accumulation d’aluminium dans l’organisme peut aussi jouer un rôle dans
d’autres maux comme le psoriasis, les insuffisances hépatorénales chroniques l’anémie,
l’ostéomalacie (os cassants ou mous) l’intolérance au glucose et les arrêts cardiaques chez les
humains. Les cellules du cerveau des patients atteints d’Alzheimer contiennent de 10 à 30 fois plus
d’aluminium que la normale30. La réglementation européenne impose maintenant aux centres de
dialyse de mieux contrôler l'exposition des dialysés à l'aluminium, ce qui s'est traduit par une
diminution de leurs taux sériques moyens avec une diminution de 61 8 ± 47 5 μg/ℓ en 1988 à 25 78
± 22 2 μg/ℓ en 1996 28.

Parmi les sources d'exposition figurent les aliments, l’eau, les cosmétiques (en particulier les
déodorants / antitranspirants sous forme de sels d'aluminium), les médicaments anti-acides.
Les ustensiles de cuisine et le papier d’aluminium peuvent également en libérer (en quantité
généralement négligeable) dans les aliments. C'est pourquoi son utilisation dans la fabrication
de conduites d’eau est prohibée dans plusieurs pays. Cependant, le sulfate d'aluminium est
utilisé dans le traitement des eaux.
Des cas particuliers sont certains adjuvants de vaccins, et l’eau pour la dilution des concentrés
pour hémodialyse, lorsqu’elle provient d’une station de production inefficace, ainsi que les
poches de nutrition parentérale. Dans ces derniers cas, l'aluminium est directement injecté
dans le système sanguin ou dans le muscle (autrefois la vaccination pouvait être sous-cutanée,
mais elle est devenue intramusculaire)31.

En France, la campagne massive de vaccination à la suite de la Grippe A (H1N1) de 2009-
2010 a relancé la polémique sur les risques de santé liés à cet élément car 47 % des vaccins
commercialisés contiennent comme adjuvant de l'aluminium32.
Et en 2012, on évoque à nouveau, sur la base d'un suivi plus large (statistiquement plus
significatif) le lien entre aluminium et Myofasciite à macrophages33.

Une étude parue en janvier 2012 dans la revue scientifique : Journal of Applied Toxicology
publiant des articles de recherches originales concernant la toxicologie montre in vitro les
effets néfastes des sels d’aluminium (chlorhydrate d’aluminium et chlorure d'aluminium) sur
les cellules épithéliales mammaires humaines34. Tout cela avec des doses 1500 à 100000 fois
inférieures à celles que l’on retrouve dans les déodorants contenant des sels d' aluminium du
commerce.

                                 Acier inoxydable
L'acier inoxydable, couramment appelé acier inox ou inox, a un grand rôle dans
d'innombrables domaines : vie quotidienne, industries mécaniques, agroalimentaires,
chimiques, transports, médecine, chirurgie, etc. C'est une famille d'aciers, alliages de fer et de
carbone, auxquels on ajoute essentiellement du chrome qui, au-delà de 10,5 % en solution
(selon la teneur en carbone) dans la matrice, provoque la formation d'une couche protectrice
d'oxyde de chrome qui confère à ces aciers leur inoxydabilité.

D'autres éléments peuvent être ajoutés, notamment le nickel qui améliore les propriétés
mécaniques en général et la ductilité en particulier, et d'autres éléments comme le molybdène
ou le titane qui améliorent la stabilité de l'alliage pour des températures autres que l'ambiante
ainsi que des éléments à hauts points de fusion comme le vanadium et le tungstène
accompagné en général d'une augmentation de la teneur en chrome, pour obtenir la résistance
aux hautes températures au contact d'une flamme (aciers réfractaires)

Rappels sur la corrosion et la passivation
Les phénomènes de corrosion des métaux sont de nature électrochimique: le métal retrouve
son état thermodynamiquement stable, l'état oxydé. En présence d'un milieu oxydant (eau,
atmosphère), le métal réagit avec l'environnement, cette réaction se faisant avec des échanges
d'électrons.

Le fer, constituant majoritaire des aciers, s'oxyde facilement ; le produit de corrosion, la
rouille, s'effrite ou se dissout dans l'eau, ce qui crée une dégradation de la pièce. À chaud, la
diffusion des atomes oxydants dans l'épaisseur du métal peut compliquer encore le problème.

Une des manières d'éviter la corrosion consiste à mettre une quantité importante de chrome
(Cr) dans l'acier (plus de 10,5 % en masse) : le chrome réagit avec le dioxygène de l'air et
forme une couche d'oxyde de chrome Cr2O3 :

       4 Cr + 3 O2 → 2 Cr2O3

Cette couche, compacte, adhérente et donc protectrice, est appelée « couche passive » : elle
forme une barrière séparant l'acier de son milieu. En temps normal, elle est invisible car très
fine. Ainsi, contrairement à son nom, l'acier n'est pas inoxydable : il s'oxyde rapidement, mais
forme un oxyde protecteur, contrairement à la rouille.

Par rapport à une électrode à hydrogène de référence, le potentiel des aciers inoxydables se
situe entre le molybdène et le mercure, non loin de l'argent et du platine.

L'addition de divers éléments d'alliage permet de s'adapter au milieu spécifique dans lequel
doit être utilisé l'acier, et de modifier ses propriétés mécaniques :

      l'ajout de nickel améliore les propriétés de la couche passive ; celui-ci s'intègre à la couche
       d'oxyde

       2 Ni + O2 → 2 NiO

      le nickel est un élément gammagène, il permet d'obtenir une structure austénitique et donc
       d'avoir des tôles qui se mettent en forme facilement ;
      le carbone en haute teneur permet de tremper l'acier et d'obtenir un acier martensitique,
       très dur ;
      mais le carbone nuit à la soudabilité, et par ailleurs, il peut piéger le chrome et gêner la
       formation de la couche passive ;
      d'autres éléments d'alliage, pour l'essentiel des métaux relativement « nobles » comme le
       molybdène, le titane, le cuivre améliorent encore la résistance chimique, en particulier dans
       les milieux non oxydants.

Il existe de fait de très nombreuses nuances d'aciers inoxydables et le choix est parfois
difficile, car ils n'ont pas tous le même comportement dans un milieu donné. On les désigne
souvent par les pourcentages massiques en nickel et en chrome. Ainsi, un acier inoxydable
18/10, tel que ceux utilisés en coutellerie, pour les couverts et pour la cuisine en général,
contient 18 % en masse de chrome et 10 % en masse de nickel. Cette désignation est en fait
très insuffisante car elle ne préjuge en rien de la structure métallurgique.

Les aciers inoxydables peuvent se corroder si l'on n'utilise pas la bonne nuance par rapport à
l'environnement de la pièce (composition chimique de l'environnement, température), ou bien
si la couche passive ne se forme pas avant la mise en service de la pièce :

      le métal est mis à nu (meulage, usinage, déformation de la pièce faisant craquer la couche
       passive, frottement, érosion, cavitation), mais de l'huile ou de la graisse empêche l'air
       d'arriver pour oxyder ; la surface est alors dite « active » ;
      des particules d'acier non inoxydable polluent la surface (pollution par le fer) : ces particules
       rouillent, ce qui forme des auréoles, mais peuvent aussi amorcer une corrosion de l'inox dans
       certains cas ;
      on peut avoir de la corrosion galvanique : contact de l'inox avec un métal plus noble,
       hétérogénéité dans l'inox, variation de concentration du milieu.

On peut dire que :

   les aciers inoxydables ne peuvent être corrodés à froid qu'en présence d'humidité. C'est ainsi
       qu'ils résistent au chlore, gaz pourtant très corrosif, pourvu que ce dernier soit parfaitement
       sec ;
      une bonne utilisation des aciers inoxydables nécessite donc un métal d'une très grande
       homogénéité pour éviter des corrosions locales et un passage de l'état actif à l'état passif en
       tous les points de la surface exposée.

Histoire — découverte
Les premiers alliages de fer et d'acier résistant à la corrosion furent coulés dès l'antiquité : le
pilier de fer de Delhi, érigé sous ordre de Kumarâgupta Ier au Ve siècle subsiste encore de nos
jours en parfait état. Cependant une distinction doit être faite dans le vocabulaire : ces alliages
devaient leur résistance à leur haute teneur en phosphore, et non en chrome. Il ne s'agissait
donc pas d'aciers inoxydables dans le sens que l'on donne actuellement au terme. Dans ces
alliages et sous des conditions climatiques favorables, il se forme en surface une couche de
passivation d'oxyde de fer et de phosphates qui protège le reste du métal bien mieux qu'une
couche de rouille.

Les premiers aciers résistants à base de chrome furent développés par le métallurgiste français
Pierre Berthier, qui remarqua leur résistance à certains acides et imagina leur application en
coutellerie. Cependant, à l'époque, on n'utilisait pas les bas taux en carbone et haut taux en
chrome couramment utilisés dans les aciers inoxydables modernes, et les alliages obtenus
alors, trop riches en carbone, étaient trop fragiles pour avoir un véritable intérêt.

En 1878, les établissements Jacob Holtzer1 situés à Unieux (Loire) commencent la production
industrielle d'aciers chromés.

Dans les années 1890, l'Allemand Hans Goldschmidt développa et breveta un procédé appelé
la thermite qui permettait d'obtenir du fer sans carbone. Entre 1904 et 1911, divers
chercheurs, notamment le Français Léon Guillet, mirent au point différents alliages que l'on
pourrait aujourd'hui considérer comme inoxydables. En 1911, l'Allemand Philip Monnartz
mettait en évidence l'influence du taux en chrome des alliages et leur résistance à la corrosion.

Enfin, en 1913, l'Anglais Harry Brearley des laboratoires Brown-Firth (Sheffield, Angleterre),
en travaillant sur l'érosion dans les canons d'armes à feu, développa un acier qu'il baptisa
rustless (« sans rouille ») : il s'aperçut que des échantillons polis en vue d'examens de
laboratoire ne subissaient pas d'oxydation. Cet acier sera ensuite rebaptisé stainless (« sans
tache », ou « pur »), ce sera officiellement le premier acier à porter le nom « d'inoxydable » ;
Brearley entra dans l'histoire comme leur inventeur. Il s'agissait alors d'un acier inoxydable
martensitique (0,24 % en carbone et 12,8 % en chrome). Cependant d'autres aciers
comparables avaient été développés en Allemagne par Eduard Maurer (de) et Benno
Strauss (de) qui élaboraient un acier inoxydable austénitique (21 % de chrome et 7 % de
nickel) pour Krupp AG. Aux États-Unis, Christian Dantsizen et Frederick Becket lancèrent
déjà la fabrication industrielle d'acier inoxydable ferritique. En 1908, Krupp avait déjà
construit des navires à coque en acier inoxydable chrome-nickel.

En 1924, William Herbert Hatfield (en), qui succéda à Harry Brearley à la tête des
laboratoires Brown-Firth, élabora l'acier « 18/8 » (18 % en masse de chrome et 8 % en nickel)
qui est probablement le représentant le plus utilisé des aciers inoxydables fer-chrome.

En 1925 est mis au point le Procédé Ugine-Perrin dans les usines savoyardes de la Société
d’électrochimie, d'électrométallurgie et des aciéries électriques d'Ugine, future Ugitech, une
méthode permettant d'obtenir un acier inoxydable à la fois pur, fiable et bon marché, par
agitation des aciers avec des laitiers préalablement fondus, pour obtenir une épuration
complète des aciers.

ATOME
Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « qui ne peut être divisé »)1 est la plus petite partie
d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec un autre. La théorie atomiste, qui
soutient l'idée d'une matière composée de « grains » indivisibles (contre l'idée d'une matière
indéfiniment sécable), est connue depuis l'Antiquité, et fut notamment défendue par Leucippe
et son disciple Démocrite, philosophes de la Grèce antique, ainsi qu'en Inde, plus
antérieurement, par l'une des six écoles de philosophie hindoue, le vaisheshika, fondé par
Kanada. Elle fut disputée jusqu'à la fin du XIXe siècle et n'a plus été remise en cause depuis
lors. C'est ainsi sur les propriétés des atomes que reposent toutes les sciences des matériaux
modernes.

Un atome est constitué d'un noyau concentrant plus de 99,9 % de sa masse, autour duquel se
distribuent des électrons pour former un nuage 100 000 fois plus étendu que le noyau lui-
même. Le volume d'un atome, représenté approximativement par une sphère, est donc
essentiellement vide. Le noyau est constitué de protons, chargés positivement, et de neutrons,
électriquement neutres ; l'hydrogène fait exception, car le noyau de son isotope 1H, appelé
protium, ne contient aucun neutron. Les électrons occupent des orbitales atomiques en
interaction avec le noyau via la force électromagnétique, tandis que les nucléons sont
maintenus ensemble au sein du noyau par la liaison nucléaire, qui est une manifestation de
l'interaction nucléaire forte. Le nuage électronique est stratifié en niveaux d'énergie quantifiés
autour du noyau définissant des couches et des sous-couches électroniques ; les nucléons se
répartissent également en couches nucléaires, bien qu'un modèle approché assez commode
popularise la structure nucléaire d'après le modèle de la goutte liquide.

Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons chimiques entre eux grâce à leurs électrons, et,
d'une manière générale, les propriétés chimiques des atomes sont déterminées par leur
configuration électronique, laquelle découle du nombre de protons de leur noyau. Ce nombre,
appelé numéro atomique, définit un élément chimique.

Historique des modèles de l'atome
Dans l'histoire des sciences, plusieurs modèles de l'atome ont été développés, au fur et à
mesure des découvertes des propriétés de la matière. Aujourd'hui encore, on utilise plusieurs
modèles différents ; en effet, le modèle le plus récent est assez complexe, l'utilisation de
modèles « anciens » ou partiellement faux, mais plus simples, facilite la compréhension, donc
l'apprentissage et la réflexion.

Depuis l'antiquité grecque, on supposait que la matière pouvait se fractionner en petits
morceaux jusqu'à obtenir des grains indivisibles, qu'elle était comme « de la poussière dans la
lumière ». C'est avec l'expérience de Rutherford que l'on atteint enfin ce grain : les particules
alpha, en traversant la matière, voient leur trajectoire perturbée, ce qui va permettre enfin de
savoir comment est organisée cette « poussière »…

      1675 : Jean Picard observe une luminescence verte en agitant un tube de baromètre ; on
       découvrira quelques siècles plus tard que cela est dû à l'électricité statique et aux vapeurs de
       mercure ;
      1854 : Heinrich Geissler et Julius Plücker découvrent les rayons cathodiques, des rayons verts
       luminescents lorsque l'on établit une forte tension électrique dans une ampoule dont on a
       pompé l'air (faible pression de gaz) ; ils inventent ainsi la lampe à décharge, qui éclaire
       maintenant nos supermarchés d'une lumière blanche, nos rues et nos stationnements d'une
       lumière orange (lampes au sodium) ;

Comparaison de 4 premiers modèles atomiques sur l'exemple de l'atome de bore

      1897 : J. J. Thomson établit que ces rayons cathodiques sont constitués de particules
       chargées négativement arrachées à la matière, et découvre ainsi l'électron ; c'est la première
       décomposition de l'atome ;
      1900 : Max Planck montre la quantification des échanges d'énergie dans la matière
       (recherches sur le corps noir) ;
      1911 : expérience de Rutherford : il bombarde une feuille d'or par des particules alpha (des
       noyaux d'hélium, chargés positivement, obtenus par radioactivité) ; il en déduit que :
           o la plupart des particules vont en lignes droites, donc la matière est « pleine de
                trous » ;
           o mais certaines sont déviées et même rebroussent chemin, donc elles rencontrent
                des îlots très concentrés de matière chargée positivement (les + se repoussent entre
                eux).

       Il en déduit le modèle atomique planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif très
       petit et d'électrons tournant autour ; ce modèle pose un gros problème : en tournant, les
       électrons devraient perdre de l'énergie par rayonnement et donc s'écraser sur le noyau…
       (ex.: Capture K)

      1913 : Niels Bohr réunit les concepts de Planck et de Rutherford, et propose un modèle
       atomique quantique: les orbites des électrons ont des rayons définis, il n'existe que quelques
       orbites « autorisées » ; ainsi, les échanges d'énergie quantifiés correspondent à des sauts
       entre les orbites définies, et lorsque l'électron est sur l'orbite la plus basse, il ne peut pas
       descendre en dessous et s'écraser (mais ce modèle n'explique pas pourquoi) ;
      1914 : l'expérience de Franck et Hertz valide le modèle de Bohr : ils bombardent de la vapeur
       de mercure avec des électrons ; l'énergie cinétique perdue par les électrons traversant les
       vapeurs est toujours la même ;
      1924 : Louis de Broglie postule la dualité onde-corpuscule ;
      1926 : Schrödinger modélise l'électron comme une onde, l'électron dans l'atome n'est donc
       plus une boule mais un « nuage » qui entoure le noyau ; ce modèle, contrairement aux
       autres, est stable car l'électron ne perd pas d'énergie.

Modèles obsolètes

Les modèles présentés dans cette section sont trop éloignés de la réalité pour pouvoir être
utilisés. Ils ne sont présentés ici qu'à titre historique.

Le modèle de J.J. Thomson ou modèle de l’électron élastiquement lié à l’atome
Article détaillé : Modèle de Thomson.

Le pudding de Thomson, la charge positive est répartie uniformément dans tout le volume, qui est
parsemé d’électrons

Avec la découverte de l’électron en 1897, on savait que la matière était composée de deux
parties : une négative, les électrons, et une positive, le noyau. Dans le modèle imaginé alors
par Joseph John Thomson, les électrons, particules localisées, baignaient dans une « soupe »
positive, à l’image des pruneaux dans le far breton (ou dans le plum-pudding pour les
Britanniques ou encore comme des raisins dans un gâteau). Ce modèle fut invalidé en 1911
par l'expérience d’un de ses anciens étudiants, Ernest Rutherford.

Le modèle planétaire de Rutherford

L'expérience de Rutherford met en évidence que les charges positives ne sont pas « étalées »
entre les électrons, mais sont concentrées en de petits points. Il bombarda une fine feuille d'or
par un faisceau de particules alpha (particules de charges électriques positives). Il observa que
les particules étaient déviées faiblement, ce qui ne correspondait pas au résultat prévu par le
modèle de Thomson, pour lequel, elles n'auraient pas dû la traverser.

Rutherford imagine donc un modèle planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif
autour duquel tournent des électrons négatifs. Entre le noyau — très petit par rapport à l'atome
(environ 100 000 fois) — et ses électrons, un très grand vide existe.

Ce modèle fut très vite mis en défaut par les équations de Maxwell d'une part, qui prédisent
que toute charge accélérée rayonne de l'énergie, et par les expériences montrant la
quantification des niveaux d'énergie d'autre part.

Modèles approchés couramment employés

Le modèle des sphères dures

Le modèle le plus simple pour représenter un atome est une boule indéformable. Ce modèle
est très utilisé en cristallographie. Une molécule peut se voir comme plusieurs boules
accolées, un cristal comme des boules empilées. On utilise parfois une représentation
« éclatée » : les atomes sont représentés comme des petites boules espacées, reliées par des
traits, permettant de faire ressortir les directions privilégiées, les angles et de visualiser le
nombre des liaisons.

modèle des sphères dures pour représenter l'atome ; représentation d'une molécule d'eau et d'un
cristal cubique à faces centrées, compacte (gauche) et éclatée (à droite)

Ce modèle correspond bien à certaines propriétés de la matière, comme, par exemple, la
difficulté de comprimer les liquides et les solides, ou bien le fait que les cristaux ont des faces
bien lisses. En revanche, il ne permet pas d'expliquer d'autres propriétés, comme la forme des
molécules : si les atomes n'ont pas de direction privilégiée, comment expliquer que les
liaisons chimiques révèlent des angles bien définis ?

Le modèle de Bohr

Modèle de l’atome de Bohr : un modèle planétaire dans lequel les électrons ont des orbites définies

Article détaillé : Modèle de Bohr.

Un modèle fut développé par Niels Bohr en 1913 à partir des propriétés mises en évidence par
Planck et Rutherford. Dans le modèle des sphères dures, l’atome est un objet entier,
indécomposable. Or, on sait depuis le milieu du XIXe siècle que l’on peut en « arracher » des
particules portant une charge électrique négative, les électrons. Dans le modèle de Bohr,
l’atome est composé d’un noyau chargé positivement, et d’électrons tournant autour, les
rayons des orbites des électrons ne pouvant prendre que des valeurs bien précises.

Le noyau est très compact, d’un diamètre d’environ 10-15 à 10-14 m, c’est-à-dire que le noyau
est cent mille à un million de fois plus petit que l’atome ; il porte une charge électrique
positive. C’est aussi la partie la plus lourde de l’atome, puisque le noyau représente au moins
99,95 % de la masse de l’atome. Les électrons sont ponctuels, c’est-à-dire que leur rayon est
admis quasi nul (tout du moins plus petit que ce que l’on peut estimer). Ils portent une charge
négative. Pour des raisons de lisibilité, le schéma ci-dessous n’est donc pas à l’échelle, en ce
qui concerne les dimensions du noyau et des électrons, ni aussi pour les rayons des différentes
orbites (on notera ici que le nombre d’électrons sur les orbites n’est pas prédit par le modèle).

Cette vision permet de décrire les phénomènes spectroscopiques fondamentaux, c’est-à-dire le
fait que les atomes absorbent ou émettent seulement certaines longueurs d’onde (ou couleur)
de lumière ou de rayons X. En effet, le système {noyau+électrons} étant stable et confiné,
d’énergie négative, il ne possède qu’un ensemble discret d’états (et donc de niveaux)
d’énergie : c’est le passage d’un état à l’autre de l’atome qui provoque une émission discrète
d’énergie, ce qui explique donc les raies spectroscopiques des atomes. Le modèle de Bohr,
décomposant l’atome en deux parties, un noyau et un nuage d'électrons, est plus précis que le
modèle des sphères dures, pour lequel la surface de la sphère correspond à l’orbite des
électrons extérieurs.

Cependant, très vite, le modèle de l’atome de Bohr ne permettra pas d’expliquer l’ensemble
des observations (effet Zeeman, etc.). Il faut attendre 1924–1926 pour qu’avec Schrödinger,
les orbites deviennent orbitales avec des énergies stationnaires : la mécanique quantique est
née.

Le modèle actuel : modèle de Schrödinger
La naissance de la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie 1924, généralisée par Erwin
Schrödinger en 1926 amène à proposer un nouveau modèle, dont les aspects relativistes furent
décrits par Paul Dirac en 1928 ; il permet d'expliquer la stabilité de l'atome et la description
des termes spectroscopiques.

Dans ce modèle, les électrons ne sont plus des billes localisées en orbite, mais des nuages de
probabilité de présence. Ce point de vue, révolutionnaire, peut choquer en première approche.
Cependant la représentation que l'on pouvait se faire d'un électron — une petite bille ? — était
dictée par les formes observées dans le monde macroscopique, transposées sans preuves dans
le monde microscopique. Il faut bien se douter du fait que ce que l'on connaît de l'électron ne
repose que sur des manifestations indirectes : courant électrique, tube cathodique
(télévision)…

Depuis les années 1930, on modélise ainsi l'électron par une « fonction d'onde » dont le carré
de la « norme représente la densité de probabilité de présence ». Pour représenter fidèlement
les propriétés de l'électron, on ne dispose que des fonctions mathématiques compliquées.
Cette abstraction rebute encore bien des physiciens. Nous allons essayer de donner une image
de cette notion de fonction d'onde, image nécessairement imparfaite.

       Imaginons que hors de l'atome, l'électron soit une petite bille. Lorsque l'électron est capturé
       par l'atome, il se « dissout » et devient un nuage diffus, il s'« évapore ». Quand on l'arrache
       de l'atome, il redevient une petite bille, il se « recondense ». Il existe d'autres exemples
       d'objet qui changent de forme, par exemple, hors de l'eau, le sel est sous forme de cristaux ;
       mis dans l'eau, il se dissout, et si l'on fait s'évaporer l'eau, on retrouve des cristaux. Le sel
       change de forme (cristal compact ou dissous dans l'eau), mais on a tout le temps du sel.

Image simplifiée de l'arrachement d'un électron du nuage électronique dans le modèle de
Schrödinger

De manière un peu plus exacte : un électron, hors d'un atome, est représenté par un paquet
d'ondes, qui peut être considéré, dans certaines limites, comme une petite bille. La mécanique
quantique démontre qu'un tel paquet d'ondes s'étale au cours du temps ; au contraire, un
électron d'un atome conserve la structure de la fonction d'onde associée à l'orbite qu'il occupe