Allotropie - Définition

L'allotropie (du grec allos : autre et tropos matière) est, en chimie et en science des matériaux, la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes. C'est l'équivalent du polymorphisme des corps composés. Par exemple, le carbone amorphe, le graphite, le diamant, la lonsdaleite, la chaoite, le fullerène et la nanomousse sont les variétés allotropiques du carbone (les deux premières étant les plus courantes).

Le concept d'allotropie se réfère uniquement aux différentes formes d'un élément au sein de la même phase ou état de la matière (solide, liquide, gaz). Les changements de phase d'un élément ne sont pas associés, par définition, à un changement de forme allotropique (par exemple l'ébullition de l'oxygène liquide). Pour certains éléments, les formes allotropiques peuvent exister dans différentes phases. Par exemple, les deux formes allotropiques de l'oxygène, le dioxygène et l'ozone peuvent exister dans les phases solide, liquide et gazeuse.

La notion d'allotropie a été élaboré par le célèbre chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius.

Différences dans les propriétés physiques pour les formes allotropiques d'un élément

Les formes allotropiques d'un élément peuvent souvent avoir des propriétés physiques (couleur, dureté, point de fusion, conductivité électrique, conductivité thermique) et une réactivité chimique différente, bien qu'elles ne soient constituées que d'atomes du même élément. Les transformation d'une forme allotropique d'un élément à une autre sont souvent induits par la pression ou la température et certaines formes ne sont stables que sous certaines conditions de température et de pression. Par exemple, le fer existe sous la forme ferrite au dessous de 723°C et sous la forme austénite au dessus.

Exemples de formes allotropiques

Typiquement les éléments pouvant fomer un nombre de liaisons chimiques variable et ceux qui possèdent des facultés de caténation tendent à avoir le plus grand nombre de formes allotropiques. Le phénomène d'allotropie est typiquement plus visible dans le cas des non-métaux et des métalloïdes

Quelques exemples par élément

Carbone:

• le diamant - une forme cristalline extrèmement dure avec chaque atome de carbone entouré de quatre liaisons simples dans un arrangement tétraédrique. C'est un isolant électrique.
  

  Le diamant et le graphite sont les deux formes allotropiques les plus répandues du carbone, elles diffèrent pas leur aspect (en haut) et leurs propriétés (voir texte). Cette différence est dues à leur structure (en bas).
• la lonsdaleite est la forme hexagonale du diamant
• le graphite - un solide noir mou, conduisant modérément l'électricité. Les atomes de carbone, qui ont trois voisins forment un réseau infini d'hexagones qui forment des couches qui sont en interaction faible.
• la chaoite est un allotrope se formant aux hautes pressions.
• le fullerène - en forme de ballon de football, C₆₀
• les nanotubes de carbone

Phosphore:

• Phosphore rouge - solide polymérique
• Phosphore blanc - solide cristallin
• Phosphore noir - semiconducteur, présentant des similitudes avec le graphite

Oxygène:

• dioxygène, O₂ - incolore
• ozone, O₃ - bleu
• tetraoxygène, O₄ - rouge

Soufre:

• Soufre amorphe - solide polymérique
• Soufre moléculaire - le soufre tend à former des molécules cycliques de S₇ à S₁₂

Anecdote

• Allotropie est le titre d'un poème d'André Breton dans le recueil Le Revolver à cheveux blancs (1932).

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