Les allotropes sont des formes d’un élément chimique qui diffèrent au niveau moléculaire ou dans la manière dont les atomes sont arrangés en molécules. De nombreux éléments se trouvent dans différents allotropes, parmi lesquels le carbone, l’oxygène, le phosphore et le soufre. Ces différentes formes peuvent différer considérablement dans leurs propriétés physiques, telles que la couleur, la dureté et la conductivité électrique, et dans leur réactivité chimique. Il existe différentes manières de convertir un allotrope en un autre, notamment par chauffage et refroidissement, haute pression ou même exposition à la lumière. Un allotrope ne doit pas être confondu avec un isotope, qui diffère au niveau atomique plutôt que moléculaire.
Il existe deux types d’allotropes. Le type énantiotrope peut subir un changement réversible en un autre allotrope sous certaines conditions, telles qu’une température ou une pression différente. Par exemple, il existe une forme de l’élément étain qui est stable en dessous de 55.4 °F (13 °C) et une autre qui est stable au-dessus de cette température – il est possible de convertir l’un en l’autre, et inversement en augmentant ou en abaissant la température. Monotrope signifie qu’une forme est la plus stable et ne peut pas être facilement convertie vers et depuis une autre forme ; quelques exemples sont la forme graphite du carbone et la forme la plus courante d’oxygène (O2), par opposition à l’ozone moins stable (O3).
Frette
Le carbone est l’élément avec le plus grand nombre d’allotropes, bien que – à partir de 2013 – le nombre précis ne soit pas clair car certains ont été contestés. Les différentes formes acceptées sont radicalement différentes les unes des autres, allant de douces à dures, opaques à transparentes, abrasives à lisses, et affichant de nombreuses autres variations et contrastes. La capacité de cet élément à prendre autant de formes différentes provient du fait qu’un atome de carbone peut former quatre liaisons simples avec d’autres atomes. Il peut également former des liaisons doubles et parfois triples. Cela permet une grande variété dans les types de structures moléculaires et cristallines qui sont possibles.
Le carbone amorphe est la forme la plus courante et est familière à presque tout le monde sous le nom de charbon, charbon de bois et suie. Cet allotrope noir et opaque n’est pas cristallin et les atomes ne forment pas de structures régulières. Le charbon est en fait une forme assez impure dans la mesure où 10 % ou plus sont constitués d’autres éléments.
Le graphite est le matériau qui forme la mine des crayons. Il se compose de feuillets d’atomes de carbone disposés en hexagones bidimensionnels liés. Les feuilles glissent facilement les unes sur les autres, c’est pourquoi il peut être utilisé pour écrire sur du papier. Bien que le carbone soit un non-métal, cet allotrope a un aspect légèrement métallique et conduit l’électricité.
Le diamant est un type de carbone cristallin dans lequel chaque atome a quatre liaisons simples le reliant à d’autres atomes, formant des tétraèdres liés. Il se forme naturellement au plus profond de la Terre, à des températures élevées et des pressions très élevées. Bien qu’ils soient extrêmement durs, en raison de sa structure et de la force des liaisons qui maintiennent les atomes ensemble, les diamants ne sont pas éternels : la structure n’est pas complètement stable à pression et température normales, et elle se transforme très lentement en graphite. Le changement, cependant, est si lent qu’il n’est pas perceptible à l’échelle humaine. Les diamants peuvent également être créés artificiellement à partir de graphite à haute température et pression.
Un autre allotrope cristallin est la lonsdaléite minérale. Il ressemble au diamant et serait créé, en petites quantités, par l’impact de météorites. La pression créée convertit le graphite en une forme tridimensionnelle qui conserve la structure hexagonale, produisant un matériau cristallin dur.
Parmi les formes de carbone les plus fascinantes se trouvent les fullerènes. Ce sont des structures tridimensionnelles creuses avec des parois constituées d’arrangements d’atomes en hexagones, pentagones et parfois d’autres formes. L’un des plus connus est le buckyball, ou plus exactement le buckminsterfullerène : 60 atomes de carbone qui forment une sphère creuse, également appelée C60. Des sphères plus grandes sont également possibles, avec un plus grand nombre d’atomes de carbone. Les buckyballs peuvent être fabriqués, mais aussi se produire naturellement, et ont été trouvés sur Terre dans la suie et dans l’espace.
Les nanotubes sont une autre forme bien connue de fullerène. Ceux-ci sont constitués de minuscules cylindres dont les parois ont une structure similaire à celles des buckyballs. Ils peuvent mesurer jusqu’à plusieurs millimètres de long et peuvent être ouverts ou fermés aux extrémités. Les nanotubes ont un rapport résistance/poids extrêmement élevé et sont également de bons conducteurs électriques ; on pense qu’ils peuvent avoir de nombreuses applications technologiques importantes, en particulier dans le monde de la nanotechnologie.
La nanomousse de carbone est un allotrope synthétique constitué d’atomes liés dans une structure en forme de toile. C’est l’un des matériaux les plus légers connus, en raison de sa densité extrêmement faible, et il n’est que quelques fois plus lourd que l’air. Exceptionnellement, il est ferromagnétique – attiré par les aimants – et est également un semi-conducteur.
Oxygène
L’oxygène de l’air que les gens respirent est constitué de molécules contenant deux atomes d’oxygène, l’O2. Les atomes de cet élément peuvent former des liaisons simples avec deux autres atomes ou une double liaison entre eux. La forme normale de l’oxygène a une double liaison entre les deux atomes, mais elle peut également exister dans une molécule contenant trois atomes, chacun relié par des liaisons simples à deux autres. Cette forme est connue sous le nom d’ozone (O3).
L’ozone est moins stable et beaucoup plus réactif que l’O2 et, sous sa forme pure, il constitue un grave risque d’incendie. Il est également toxique, car il endommage les poumons s’il est inhalé. L’ozone peut être produit par les réactions des gaz produits par les gaz d’échappement des moteurs sous l’influence de la lumière solaire et peut devenir un polluant grave dans les zones urbaines. Il est également produit dans la haute atmosphère par l’interaction de l’O2 et de la lumière ultraviolette du Soleil, formant la couche d’ozone qui protège la vie à la surface de la Terre contre les formes les plus dommageables de la lumière ultraviolette.
Phosphore
C’est un autre élément avec plusieurs allotropes fortement contrastés. Lorsqu’il est isolé pour la première fois de ses composés, il apparaît sous forme de phosphore blanc. Cette forme est constituée de tétraèdres de quatre atomes ; il est très réactif, hautement toxique et brille dans le noir à température ambiante, en raison d’une réaction lente avec l’oxygène de l’air. En le chauffant pendant un certain temps dans un récipient scellé, il peut être converti en phosphore rouge, une forme beaucoup moins réactive et non toxique dans laquelle les tétraèdres sont liés entre eux en chaînes. Une troisième forme, le phosphore noir, peut être obtenue en chauffant la forme blanche à haute pression – ses atomes sont disposés en hexagones qui forment des feuilles, un peu comme le graphite.