Qu’est-ce qu’un allotrope ? Définition et exemples

Un allotrope est chacune des différentes formes stables dans lesquelles on peut trouver ou préparer un élément pur . Autrement dit, les allotropes sont les différentes formes sous lesquelles les substances élémentaires se produisent, naturellement ou synthétiquement. Un exemple courant d’allotrope est le graphite, qui est l’une des formes sous lesquelles l’élément carbone peut être obtenu.

Un autre allotrope important du carbone est le diamant, une forme cristalline extrêmement dure et transparente de l’élément qui constitue la base de la vie. À l’exception des éléments synthétiques (synthétisés artificiellement), chaque élément du tableau périodique a au moins un allotrope, bien qu’il en ait généralement plusieurs. Alors que certains de ces allotropes peuvent être sans valeur, d’autres peuvent être extrêmement précieux, comme l’illustre la différence entre le carbone graphite et le carbone diamant.

Caractéristiques et propriétés des allotropes

Propriétés physiques

L’exemple du carbone illustre un aspect très important des allotropes, à savoir qu’ils peuvent avoir des caractéristiques et des propriétés physiques et chimiques radicalement opposées.

Le graphite de carbone, par exemple, est un matériau électriquement conducteur, il est très mou, il a une structure sous forme de couches ou feuillets d’atomes de carbone à hybridation sp 2 liés entre eux au moyen de liaisons simples et doubles qui s’échangent en ^permanence . résonance.

Au lieu de cela, le diamant est le matériau le plus dur que nous connaissions. Il est formé d’un réseau cristallin tridimensionnel dans lequel chaque atome de carbone est simultanément lié à quatre autres atomes au moyen de liaisons covalentes simples. Cette caractéristique fait du diamant l’un des meilleurs isolants électriques connus (par opposition au graphite qui est conducteur).

Propriétés chimiques

Les allotropes ont aussi souvent des propriétés chimiques nettement différentes. Par exemple, le phosphore peut être trouvé sous la forme de divers allotropes, parmi lesquels le phosphore blanc, rouge et noir sont les plus courants. Le phosphore blanc et rouge ont des atomes de phosphore similaires avec une géométrie tétraédrique. Cependant, le phosphore blanc est extrêmement toxique et hautement inflammable, s’enflammant spontanément au simple contact avec l’oxygène de l’air. Cela le rend utile comme fusible dans certains explosifs tels que les grenades à main.

Au lieu de cela, le phosphore rouge est beaucoup plus stable. Il peut entrer en contact avec l’air sans provoquer d’incendie. D’autre part, le phosphore noir ne se forme que dans des conditions de haute pression et à une température supérieure à 200 °C, mais une fois formé, il peut être refroidi et est encore plus stable que le phosphore rouge.

État physique

Les exemples d’allotropes du phosphore mentionnés dans la section précédente sont tous solides à température ambiante. Cependant, les allotropes peuvent également exister dans d’autres états d’agrégation. Par exemple, en plus des trois isotopes solides mentionnés (et au moins autant d’autres), le phosphore peut également exister sous forme d’allotrope gazeux de formule P 4 , formant _une structure tétraédrique avec un phosphore à chaque sommet.

structure en cristal

Enfin, les allotropes peuvent également être différenciés les uns des autres en fonction de leur structure cristalline. Nous avons déjà vu comment le carbone peut former deux types très différents de structures tridimensionnelles qui donnent lieu à des propriétés nettement différentes. En plus de cela, certains allotropes peuvent également ne pas avoir une structure cristalline bien définie, auquel cas ils sont dits allotropes amorphes.

D’un point de vue macroscopique, les allotropes amorphes sont faciles à reconnaître car aucun type de facette ou de structure définie n’est observé à leur surface suggérant une structure interne très ordonnée.

Au microscope, cependant, les solides amorphes sont souvent simplement un mélange d’un grand nombre de petits solides cristallins de différentes tailles, et même de différentes structures cristallines locales.

Importance des allotropes

L’allotropie d’un élément peut devenir extrêmement importante à bien des égards. Le fait que certains allotropes soient plus stables que d’autres les rend préférables pour le transport et la manipulation de l’élément respectif. D’autre part, certains allotropes ont des propriétés souhaitables que d’autres allotropes n’ont pas.

Un exemple de ce qui précède est la dureté du diamant, la conductivité du graphite et la combinaison de la dureté et de la conductivité d’un autre allotrope très important du carbone, celui qui compose les nanotubes de carbone.

D’autre part, transformer un allotrope en un autre peut être essentiel pour de nombreuses applications industrielles des différents éléments. Par exemple, le silicium est l’un des éléments les plus importants de l’industrie électronique. C’est le semi-conducteur qui constitue la base de toutes les puces et processeurs qui alimentent tous nos appareils électroniques. Cependant, le silicium peut se trouver sous deux formes allotropiques : le silicium amorphe et le silicium cristallin.

Le silicium amorphe est utilisé comme semi-conducteur dans la fabrication de panneaux solaires à faible coût, tandis que pour la fabrication de micropuces, seul le silicium monocristallin peut être utilisé, c’est-à-dire qu’il faut un monocristal géant de silicium dans lequel tous les atomes sont parfaitement ordonnés en afin de créer les motifs qui font partie des circuits de chaque micropuce.

Exemples d’allotropes courants

Allotropes naturels du carbone :

graphite de carbone

diamant carbone

graphène

nanotubes de carbone à paroi unique

nanotubes de carbone à double paroi

nanotubes de carbone multiparois

Fullerènes tels que Buckminsterfulerène ou C ₆₀

Allotropes naturels de l’oxygène :

Oxygène atomique (O)

Oxygène gazeux ou moléculaire (O ₂ )

Ozone ( _O3 )

Tétraoxygène (O ₄ )

oxygène solide O ₈

Allotropes naturels de l’azote :

Azote moléculaire gazeux (N ₂ )

azote solide cubique

azote solide hexagonal

Allotropes naturels du bore :

Bore amorphe (poudre brune)

bore α-rhomboédrique

Bore β-rhomboédrique

sel gemme boro-γ

Borophènes (structures similaires au graphène mais faites de bore au lieu de carbone)

Les références

Bolívar, G. (2019, 10 juillet). Bore : histoire, propriétés, structure, usages . condamné à perpétuité. https://www.lifeder.com/boro/

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Chimie (11e éd.). McGraw-Hill Interamericana de España SL

Educaplus.org. (s.d.). Propriétés des éléments . http://www.educaplus.org/elementos-quimicos/propiedades/alotropos.html

Fleurs, G. (2021, 11 juin). Quelles sont les formes allotropiques de l’azote ? The-Answer.com. https://la-respuesta.com/preguntas-comunes/cuales-son-las-formas-alotropicas-del-nitrogeno/