Les allotropes sont définis comme différentes formes structurelles d’un même élément chimique. Ces formes résultent des différentes façons dont les atomes peuvent se lier entre eux.
Le chimiste suédois Jöns Jakob Berzelius a proposé le concept d’allotropie en 1841. Le mot « allotropie » vient du mot grec allotropia, qui signifie « caractère changeant ».
Ce que sont les allotropes et comment ils se forment
Les éléments se transforment d’un allotrope à un autre en réponse aux changements de température, de pression et même d’exposition à la lumière. Les allotropes se forment souvent spontanément. Habituellement, le premier allotrope solide à cristalliser à partir d’une solution ou d’une masse fondue est le moins stable. Ce phénomène est appelé règle d’Ostwald ou règle des étapes d’Ostwald.
Les allotropes ont des propriétés physiques et chimiques différentes les unes des autres. Par exemple, le diamant et le graphite (deux allotropes du carbone) ont des apparences, des valeurs de dureté, des points de fusion, des points d’ébullition et des réactivités différents.
Certains allotropes d’éléments ont des formules moléculaires différentes. Par exemple, le dioxygène (O2) et l’ozone (O3) existent en tant qu’allotropes distincts dans les phases solide, liquide et gazeuse. Certains éléments ont plusieurs allotropes en phase solide, mais une seule forme liquide et gazeuse. D’autres ont des allotropes liquides et gazeux.
Exemples d’allotropes
La plupart des éléments (peut-être tous) ont des allotropes. Les éléments qui ont le plus d’allotropes sont ceux qui ont plusieurs états d’oxydation. Les allotropes des non-métaux sont parmi les plus reconnus, car les non-métaux ont tendance à afficher des couleurs. Mais, les métalloïdes et les métaux forment aussi des allotropes.
Voici quelques exemples d’allotropes de différents éléments. Gardez à l’esprit que les chercheurs découvrent toujours de nouveaux allotropes, en particulier ceux formés sous haute pression.
Allotropes du carbone
- Diamant – réseau tétraédrique
- Graphite – feuilles de réseaux hexagonaux
- Graphène – réseau bidimensionnel en nid d’abeille
- Carbone amorphe – noncristallin
- Lonsdaleite ou diamant hexagonal
- Fullerenes
- Nanotubules
Phosphore Allotropes
- Phosphore blanc – tétraphosphore cristallin (P4)
- Phosphore rouge
- Phosphore violet – cristaux monocliniques
- Phosphore écarlate
- Phosphore noir
- Diphosphore – P2 gazeux
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Allotropes de l’oxygène
- Dioxygène (O2) – gaz incolore, liquide et solide bleu pâle
- Ozone (O3) – gaz bleu pâle, liquide et solide bleus
- Tétraoxygène (O4) – bleu pâle à rose
- Octaoxygène (O8) – cristaux rouges
- δ-phase – orange
- ε-phase – noir
- Métallique – se forme à des pressions extrêmement élevées
Arsenic Allotropes
- Arsenic jaune – moléculaire non…métallique As4
- Arsenic gris – As polymère (métalloïde)
- Arsenic noir – moléculaire et non métallique
Allotropes d’étain
- α-étain ou étain gris – également appelé pest d’étain ; cristaux cubiques diamantés
- β-étain ou étain blanc
- γ-étain – cristaux tétragonaux centrés sur le corps
- σ-Sn – cristaux cubiques centrés sur le corps-.centrés
Allotropes du fer
- α-Fe ou ferrite – cubique centré sur le corps
- γ-fer ou austénite – cubique à face-centrée cubique
- δ-fer – corps centré cubique
- ε-fer ou hexaferrum – hexagonal serré
Allotropisme vs Polymorphisme
L’allotropisme fait référence à différentes formes d’éléments chimiques purs. Le polymorphisme fait référence à différentes formes de molécules. Le polymorphisme d’encombrement désigne le fait que les molécules présentent des structures cristallines différentes. Le polymorphisme conformationnel fait référence à différents conformères de la même molécule, y compris l’isomérisation.
Le polymorphisme est courant dans les oxydes métalliques binaires, tels que CrO2, Fe2O3 et Al2O3. Les différentes formes sont appelées phases et ont généralement des lettres grecques pour les distinguer. Par exemple, CrO2 possède une phase α tétragonale et une phase β orthorhombique.
Le polymorphisme est courant dans les produits pharmaceutiques. Souvent, la solubilité et l’efficacité thérapeutique sont très différentes pour les polymorphes, de sorte que l’approbation réglementaire tend à porter sur une seule forme.
Deux des allotropes de l’oxygène, pour O2 et O3, ont été parmi les premiers à être reconnus. Ostwald considérait l’allotropie comme un cas particulier de polymorphisme. Mais, la plupart des chimistes se réfèrent aux différentes formes d’éléments comme étant des allotropes et aux différentes formes de molécules comme étant des polymorphes. Techniquement, l’oxygène moléculaire (O2) et l’ozone (O3) sont à la fois des allotropes et des polymorphes.
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