Allotropie - Allotropy
L'allotropie ou l' allotropisme (du grec ancien ἄλλος (allos) 'autre', et τρόπος (tropos) 'manière, forme') est la propriété de certains éléments chimiques d'exister sous deux ou plusieurs formes différentes, dans le même état physique , connu sous le nom de allotropes des éléments. Les allotropes sont différentes modifications structurelles d'un élément; les atomes de l'élément sont liés entre eux d'une manière différente. Par exemple, les allotropes du carbone comprennent le diamant (les atomes de carbone sont liés ensemble dans un arrangement de réseau tétraédrique ), le graphite (les atomes de carbone sont liés ensemble en feuilles d'un réseau hexagonal ), le graphène (feuilles simples de graphite) et les fullerènes ( les atomes de carbone sont liés entre eux dans des formations sphériques, tubulaires ou ellipsoïdales).
Le terme allotropie est utilisé pour les éléments uniquement, pas pour les composés . Le terme plus général, utilisé pour tout composé, est polymorphisme , bien que son utilisation soit généralement limitée aux matériaux solides tels que les cristaux. L'allotropie se réfère uniquement à différentes formes d'un élément au sein de la même phase physique (l'état de la matière, comme un solide , un liquide ou un gaz ). Les différences entre ces états de la matière ne constitueraient pas à elles seules des exemples d'allotropie. Les allotropes d'éléments chimiques sont souvent appelés polymorphes ou phases de l'élément.
Pour certains éléments, les allotropes ont des formules moléculaires différentes ou des structures cristallines différentes, ainsi qu'une différence de phase physique ; par exemple, deux allotropes de l'oxygène ( dioxygène , O 2 et ozone , O 3 ) peuvent tous deux exister à l'état solide, liquide et gazeux. D'autres éléments ne maintiennent pas d'allotropes distincts dans différentes phases physiques ; par exemple, le phosphore a de nombreux allotropes solides , qui reviennent tous à la même forme P 4 lorsqu'ils sont fondus à l'état liquide.
Histoire
Le concept d'allotropie a été initialement proposé en 1840 par le scientifique suédois Baron Jöns Jakob Berzelius (1779-1848). Le terme est dérivé du grec άλλοτροπἱα (allotropie) « variabilité, changeabilité ». Après l'acceptation de l'hypothèse d' Avogadro en 1860, il a été compris que les éléments pouvaient exister sous forme de molécules polyatomiques, et deux allotropes de l'oxygène ont été reconnus comme O 2 et O 3 . Au début du 20e siècle, il a été reconnu que d'autres cas tels que le carbone étaient dus à des différences dans la structure cristalline.
En 1912, Ostwald nota que l'allotropie des éléments n'est qu'un cas particulier du phénomène de polymorphisme connu pour les composés, et proposa que les termes allotrope et allotropie soient abandonnés et remplacés par polymorphe et polymorphisme. Bien que de nombreux autres chimistes aient répété ce conseil, l' IUPAC et la plupart des textes de chimie favorisent toujours l'utilisation de l'allotrope et de l'allotropie pour les éléments uniquement.
Différences dans les propriétés des allotropes d'un élément
Les allotropes sont différentes formes structurelles du même élément et peuvent présenter des propriétés physiques et des comportements chimiques très différents. Le changement entre les formes allotropiques est déclenché par les mêmes forces qui affectent d'autres structures, c'est-à-dire la pression , la lumière et la température . Par conséquent, la stabilité des allotropes particuliers dépend de conditions particulières. Par exemple, le fer passe d'une structure cubique centrée ( ferrite ) à une structure cubique centrée ( austénite ) au-dessus de 906 ° C, et l' étain subit une modification connue sous le nom de parasite de l' étain d'une forme métallique à une forme semi - conductrice en dessous de 13,2 ° C (55,8 °F). À titre d'exemple d'allotropes ayant un comportement chimique différent, l'ozone (O 3 ) est un agent oxydant beaucoup plus puissant que le dioxygène (O 2 ).
Liste des allotropes
Typiquement, les éléments capables d'un nombre de coordination variable et/ou d' états d'oxydation ont tendance à présenter un plus grand nombre de formes allotropiques. Un autre facteur contributif est la capacité d'un élément à s'enchaîner .
Voici des exemples d'allotropes :
Non-métaux
Élément | Allotropes |
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Carbone |
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Phosphore |
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Oxygène |
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Soufre |
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Sélénium |
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Métalloïdes
Élément | Allotropes |
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Bore |
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Silicium |
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Germanium |
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Arsenic |
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Antimoine |
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Tellure |
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Métaux
Parmi les éléments métalliques présents dans la nature en quantités importantes (56 jusqu'à U, sans Tc et Pm), près de la moitié (27) sont allotropes à pression ambiante : Li, Be, Na, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa et U. Certaines transitions de phase entre les formes allotropiques des métaux technologiquement pertinents sont celles du Ti à 882 °C, Fe à 912 °C et 1394 °C, Co à 422 °C, Zr à 863 °C, Sn à 13 °C et U à 668 °C et 776 °C.
Élément | Nom(s) de phase | Groupe d'espace | Symbole de Pearson | Type de structure | La description |
---|---|---|---|---|---|
Lithium | R 3 m | hR9 | α- Structure du samarium | Formulaires inférieurs à 70 K. | |
Je suis 3 m | cI2 | Cube centré sur le corps | Stable à température et pression ambiantes. | ||
cF4 | Cube centré sur le visage | Formulaires au-dessus de 7GPa | |||
hR1 | Une phase intermédiaire a formé ~ 40 GPa. | ||||
cI16 | Formulaires supérieurs à 40 GPa. | ||||
Béryllium | P6 3 /mmc | hP2 | Hexagonal fermé emballé | Stable à température et pression ambiantes. | |
Je suis 3 m | cI2 | Corps cubique centré | Formes au-dessus de 1255 °C. | ||
Sodium | R 3 m | hR9 | α- Structure du samarium | Formulaires inférieurs à 20 K. | |
Je suis 3 m | cI2 | Corps cubique centré | Stable à température et pression ambiantes. | ||
Fm 3 m | cF4 | Cube centré sur le visage | Se forme à température ambiante au-dessus de 65 GPa. | ||
je 4 3d | cI16 | Formes à température ambiante, 108GPa. | |||
Pnma | oP8 | Formes à température ambiante, 119GPa. | |||
Magnésium | P6 3 /mmc | hP2 | hexagonal compact | Stable à température et pression ambiantes. | |
Je suis 3 m | cI2 | Corps cubique centré | Formulaires supérieurs à 50 GPa. | ||
Étain | -étain, étain gris , parasite de l'étain | Fd 3 m | cF8 | Diamant cubique | Stable en dessous de 13,2 °C. |
-étain, étain blanc | I4 1 /amd | tI4 | Structure -étain | Stable à température et pression ambiantes. | |
-étain, étain rhombique | I4/mm | Tétragonale centrée sur le corps | |||
-Sn | Cube centré sur le corps | Se forme à très haute pression. | |||
Stanène | |||||
Le fer | -Fe, ferrite | Je suis 3 m | cI2 | Cube centré sur le corps | Stable à température et pression ambiantes. Ferromagnétique à T<770 °C, paramagnétique à partir de T=770-912 °C. |
fer , austénite | Fm 3 m | cF4 | Cube centré | Stable de 912 à 1394 °C. | |
-fer | Je suis 3 m | cI2 | Cube centré sur le corps | Stable de 1 394 à 1 538 °C, même structure que le α-Fe. | |
-fer , Hexaferrum | P6 3 /mmc | hP2 | Hexagonal compact | Stable aux hautes pressions. | |
Cobalt | α-Cobalt | cubique simple | Se forme au-dessus de 417 °C. | ||
β-Cobalt | hexagonal compact | Formes en dessous de 417 °C. | |||
Polonium | -Polonium | cubique simple | |||
-Polonium | rhomboédrique |
Lanthanides et actinides
- Le cérium , le samarium , le dysprosium et l' ytterbium possèdent trois allotropes.
- Le praséodyme , le néodyme , le gadolinium et le terbium ont deux allotropes.
- Le plutonium a six allotropes solides distincts sous des pressions "normales". Leurs densités varient dans un rapport d'environ 4:3, ce qui complique considérablement toutes sortes de travaux avec le métal (en particulier la coulée, l'usinage et le stockage). Un septième allotrope de plutonium existe à des pressions très élevées. Les métaux transuraniens Np, Am et Cm sont également allotropiques.
- Le prométhium , l' américium , le berkelium et le californium ont chacun trois allotropes.
Nanoallotropes
En 2017, le concept de nanoallotropie a été proposé par le professeur Rafal Klajn du département de chimie organique du Weizmann Institute of Science . Les nanoallotropes, ou allotropes des nanomatériaux, sont des matériaux nanoporeux qui ont la même composition chimique (par exemple, Au), mais diffèrent par leur architecture à l'échelle nanométrique (c'est-à-dire à une échelle de 10 à 100 fois les dimensions des atomes individuels). De tels nanoallotropes peuvent aider à créer des dispositifs électroniques ultra-petits et à trouver d'autres applications industrielles. Les différentes architectures à l'échelle nanométrique se traduisent par des propriétés différentes, comme cela a été démontré pour la diffusion Raman améliorée en surface réalisée sur plusieurs nanoallotropes d'or différents. Une méthode en deux étapes pour générer des nanoallotropes a également été créée.
Voir également
Remarques
Les références
- Chisholm, Hugh, éd. (1911). Encyclopædia Britannica (11e éd.). La presse de l'Universite de Cambridge. .
Liens externes
- Nigel Bunce et Jim Hunt. « Le coin des sciences : les allotropes » . Archivé de l'original le 31 janvier 2008 . Consulté le 6 janvier 2017 .CS1 maint : bot : état de l'URL d'origine inconnu ( lien )
- Allotropes – Encyclopédie de la chimie