Principes de classification des substances
En chimie, les substances sont traditionnellement réparties en groupes selon deux critères principaux : leur composition chimique et leurs propriétés chimiques caractéristiques. Il en résulte deux catégories inégales en volume :
- Les corps simples. Leur composition ne renferme que des atomes d'un seul et unique élément. Ce sont des formes fondamentales de la matière, impossibles à décomposer chimiquement en composants plus simples.
- Les substances composées (également appelées composés chimiques). Elles sont constituées d'atomes de deux éléments différents ou plus. Si un composé renferme exactement deux éléments, il est qualifié de binaire.
Métaux et non-métaux : distinctions clés
De manière générale, tous les corps simples se scindent en deux grandes classes présentant des propriétés physiques et une structure interne fondamentalement différentes.
Métaux Ils se distinguent par un ensemble unique de caractéristiques physiques. Ils possèdent un éclat métallique spécifique, une haute conductivité électrique et thermique, ainsi qu'une bonne malléabilité. À l'échelle microscopique, ils forment des structures cristallines dites métalliques. Visuellement, leurs réseaux peuvent évoquer des structures en treillis, bien que la nature de leurs liaisons chimiques soit totalement différente.
Non-métaux Ce groupe est dépourvu des propriétés physiques communes caractéristiques des métaux. Leur structure est fondamentalement différente : la grande majorité des non-métaux est composée de molécules isolées. Il existe néanmoins des exceptions — certains non-métaux, tels que le carbone (C) et le silicium (Si), forment des structures cristallines tridimensionnelles rigides.
Allotropie : la multiplicité des éléments
La nature est ainsi faite qu'il existe nettement plus de corps simples que d'éléments chimiques proprement dits. Cela s'explique par le phénomène d'allotropie, c'est-à-dire la capacité d'un même élément à exister sous plusieurs formes de corps simples différentes.
L'oxygène offre un exemple classique d'allotropie. Il forme deux gaz distincts :
- Le dioxygène ($O_2$), le gaz usuel indispensable à notre vie.
- L'trioxygène ($O_3$), l'ozone, caractérisé par son instabilité et sa propension à se décomposer rapidement.
Certains éléments possèdent une nature duelle et sont capables de former à la fois des formes métalliques et non métalliques. Par exemple, l'arsenic (As) existe sous forme de modifications métallique (grise) et moléculaire (jaune).
Position dans le tableau périodique
Pour déterminer si un élément est un métal ou un non-métal, il suffit d'observer sa position dans le tableau périodique de Mendeleïev.
L'analyse porte sur le rectangle virtuel englobant les groupes IIIA à VIIIA. En traçant une ligne diagonale du bore (B) à l'astate (At), les éléments se répartissent de la manière suivante :
- Les non-métaux se situent strictement sur cette diagonale et au-dessus de celle-ci (l'hydrogène appartient également à ce groupe).
- Les métaux regroupent tous les autres éléments chimiques du tableau.
Recherche de nouveaux corps simples
La science progresse constamment, et les chercheurs continuent de découvrir de nouvelles formes de corps simples, y compris pour des éléments étudiés de longue date. L'exemple le plus frappant est la découverte réalisée en 1986 avec la synthèse d'une forme entièrement nouvelle de carbone, une substance de formule $C_{60}$.
Dans cette structure, les atomes de carbone occupent les sommets d'un polyèdre volumineux complexe évoquant un ballon de football. Toute une classe de molécules similaires a été baptisée fullerènes.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quelles modifications allotropiques du carbone existent en dehors des fullerènes ?
Outre les fullerènes, il existe les modifications allotropiques du carbone suivantes : le diamant, le graphite, la carbyne, les nanotubes et le charbon.
- Diamant — présente une structure cristalline tridimensionnelle avec un environnement tétraédrique des atomes.
- Graphite — forme cristalline d'un corps simple.
- Carbyne — composé de molécules linéaires où les atomes se trouvent dans un état d'hybridation $sp$.
- Nanotubes — structure dans laquelle les atomes de carbone sont disposés à la surface d'un cylindre.
- Charbon — modification allotropique la plus réactive.
Quels éléments chimiques précis appartiennent aux gaz nobles ?
Les gaz nobles (ou inertes) comprennent six éléments chimiques : l'hélium (He), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon (Rn). À l'état naturel, ils se présentent sous forme d'atomes isolés individuels. La source indique également que l'hélium, le néon et l'argon ne forment pas d'oxydes ; l'affirmation selon laquelle les six éléments sont incapables de former des oxydes n'est pas confirmée dans les sources fournies.
Quels éléments biogènes organogènes appartiennent à la classe des non-métaux ?
Dans les sources fournies, les éléments organogènes et biogènes incluent le carbone (C), l'oxygène (O), l'azote (N), l'hydrogène (H), le soufre (S) et le phosphore (P). Le carbone, l'oxygène, l'azote et l'hydrogène constituent 98 % de la composition des organismes vivants. Le soufre entre dans la composition des protéines sous forme de groupements sulfhydryles, et le phosphore est indispensable à la synthèse des acides nucléiques et de l'ATP. L'attribution directe de l'ensemble de ces éléments à la classe des non-métaux n'est pas explicitement mentionnée dans les sources.
Pour repérer facilement les non-métaux dans le tableau périodique, tracez mentalement la diagonale « Bore-Astate ». Tout ce qui se trouve dessus, au-dessus et à droite (ainsi que l'hydrogène) correspond aux non-métaux. Le reste du royaume des éléments est constitué de métaux.
Questions des cours et des examens
Pourquoi le nombre de corps simples ne correspond-il pas au nombre d'éléments chimiques ?
Cela s'explique par l'allotropie. De nombreux éléments sont capables de former non pas un, mais plusieurs corps simples dotés de structures et de propriétés distinctes (à l'instar de l'oxygène et de l'ozone).
En quoi la structure de la plupart des non-métaux diffère-t-elle de celle du carbone ?
La majorité des non-métaux possède une structure moléculaire, tandis que le carbone (aux côtés du silicium) forme une structure cristalline tridimensionnelle rigide.
Existe-t-il des éléments se présentant sous forme de gaz monoatomiques ?
En effet, les gaz nobles (au nombre de 6) existent sous forme de gaz monoatomiques. Ce n'est qu'à des températures extrêmement basses qu'ils peuvent passer à l'état liquide ou solide non métallique.
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