Métalloïde

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Ne doit pas être confondu avec semimétal.
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1 H     He
2 Li Be   B C N O F Ne
3 Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4 K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba
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Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra
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La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb  
 
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Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No  
       
  Li   Métaux alcalins
  Be   Métaux alcalino-terreux
  La   Lanthanides
  Ac   Actinides
  Sc   Métaux de transition
  Al   Métaux pauvres
  B   Métalloïdes
  H   Non-métaux
  F   Halogènes
  He   Gaz nobles
  Mt   Nature chimique inconnue

Un métalloïde est un élément chimique dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux ou sont une combinaison de ces propriétés. Il n'existe pas de définition standard des métalloïdes et la liste des éléments rangés dans cette famille n'est pas non plus fixée. Ce terme demeure malgré tout en usage dans la littérature scientifique relative à la chimie.

Les six éléments généralement reconnus comme métalloïdes sont le bore 5B, le silicium 14Si, le germanium 32Ge, l'arsenic 33As, l'antimoine 51Sb et le tellure 52Te. Cinq autres sont moins fréquemment classés parmi les métalloïdes : le carbone 6C, l'aluminium 13Al, le sélénium 34Se, le polonium 84Po et l'astate 85At. Ce dernier, historiquement rangé parmi les halogènes dans le prolongement des autres éléments du 17e groupe, tend cependant à être davantage considéré comme un métalloïde à mesure que ses propriétés chimiques sont mieux caractérisées. Dans un tableau périodique standard, ils se répartissent en diagonale dans le bloc p le long de l'ancienne ligne de démarcation entre métaux et non-métaux représentée sur les tableaux périodiques de la première moitié du XXe siècle.

Les métalloïdes présentent un aspect métallique mais sont fragiles et médiocres conducteurs de l'électricité. Leurs propriétés chimiques sont essentiellement celles de non-métaux. Ils peuvent former des alliages avec les métaux. Ils présentent généralement une résistance mécanique trop faible pour pouvoir être utilisés dans des applications structurelles, et sont généralement utilisés à travers leurs alliages, comme catalyseurs, en ignifugation, dans la fabrication de verres, les lecteurs de disques optiques, l'optoélectronique, la pyrotechnie, les semiconducteurs et l'électronique. Ce sont les propriétés du germanium et du silicium qui ont permis l'émergence de l'industrie des semiconducteurs dans les années 1950 et le développement de l'électronique à l'état solide au début des années 1960.

Le terme métalloïde faisait initialement référence aux non-métaux. Ce n'est qu'au milieu du XXe siècle que sa signification a évolué vers le sens actuel. Les métalloïdes sont parfois également confondus avec les semimétaux, qui sont cependant une classe de matériaux différente : le bore et le silicium sont ainsi des métalloïdes mais pas des semimétaux, tandis que l'étain et le bismuth sont des semimétaux mais pas des métalloïdes.

Propriétés[modifier | modifier le code]

Le tableau ci-dessous résume quelques propriétés physiques des métalloïdes. L'astate n'ayant jamais pu être observé en grandes quantités, ses données macroscopiques sont mal connues, et certaines sont déduites de simulations numériques. Sa masse volumique a température ambiante résulte ainsi de modèles de calcul[1], et la donnée figurant dans la colonne rayon atomique est relative à son rayon de covalence.

Élément Masse
atomique
Température
de fusion
Température
d'ébullition
Masse
volumique
Rayon
atomique
Configuration
électronique
[2]
Énergie
d'ionisation
Électronégativité
(Pauling)
Bore 10,8135 u 2 076 °C 3 927 °C 2,08 g·cm-3 90 pm [He] 2s2 2p1 800,6 kJ·mol-1 2,04
Silicium 28,085(1) u 1 414 °C 3 265 °C 2,329 g·cm-3 111 pm [Ne] 3s2 3p2 786,5 kJ·mol-1 1,90
Germanium 72,630(8) u 938 °C 2 833 °C 5,323 g·cm-3 122 pm [Ar] 4s2 3d10 4p2 762 kJ·mol-1 2,01
Arsenic 74,921595 u 615 °C 5,727 g·cm-3 119 pm [Ar] 4s2 3d10 4p3 947,0 kJ·mol-1 2.18
Antimoine 121,760(1) u 630,63 °C 1 635 °C 6,697 g·cm-3 140 pm [Kr] 5s2 4d10 5p3 834 kJ·mol-1 2,05
Tellure 127,60(3) u 449,51 °C 988 °C 6,24 g·cm-3 140 pm [Kr] 5s2 4d10 5p4 869,3 kJ·mol-1 2,1
Astate [210] 302 °C 337 °C 6,35 g·cm-3 150 pm [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p5 899 kJ·mol-1 2,2

Historique[modifier | modifier le code]

Dès les débuts de la chimie et jusqu'en 1964, les corps simples sont classés en métaux et métalloïdes. Le terme de métalloïdes désignait à cette époque ce que nous appelons aujourd'hui les non-métaux[3],[4],[5]. Les métaux se reconnaissaient alors à des critères physiques (dureté, éclat métallique, conduction de l'électricité...) et des critères chimiques (production d'au moins un oxyde basique...). Les éléments qui n'ont pas ces caractéristiques étaient les métalloïdes[5],[6].

Cette classification était cependant discutée : le plomb qui n'a pourtant pas d'éclat métallique est bien un métal, tandis que l'étain qui le possède est aussi un métal. D'autres cas étaient ambigus, tel le carbone : sa variété graphite n'est pas dure mais conduit l'électricité ; sa variété diamant est dure mais ne conduit pas l'électricité.

À partir des années 1960, le critère retenu devint celui de la nature des liaisons mises en jeu : métalliques pour les métaux, covalentes pour les métalloïdes. On nommait alors, à cette époque, métaux les éléments chimiques dont le nombre d'électrons dans la bande de valence (électrons les plus externes) est compris entre 1 et 3, et métalloïdes ceux dont ce nombre est compris entre 4 et 7 électrons. Les métaux occupaient ainsi la partie gauche du tableau de Mendeleïev, et les métalloïdes la partie droite à partir de la 13e colonne. Il s'agissait des groupes du fluor (colonne VIIB), de l'oxygène (colonne VIB), de l'azote (colonne VB), du carbone (IVB) et du bore (colonne IIIB)[7]. L'hydrogène est un cas à part : considéré dès sa découverte comme un métalloïde (comme tous les éléments gazeux dans les conditions normales), il présente à l'état solide toutes les caractéristiques d'un métal. C'est l'hydrogène métallique.

Jusqu'en 1964, les programmes d'enseignement de la chimie en France se limitaient à l'étude des métalloïdes[3],[8],[5],[9]. Pour les classes préparatoires aux grandes écoles, les éléments étudiés étaient : l'hydrogène, l'oxygène, l'azote, les halogènes, le soufre, le phosphore, l'arsenic, le carbone, le silicium et le bore. Les manuels de chimie se déclinaient alors en chimie générale et chimie des métalloïdes[8],[9],[10],[5].

Il fallut attendre 1965, pour que ces programmes introduisent l'étude des métaux (principalement le fer) et quelques produits organiques[11]. À cette époque le terme de « métalloïde » tomba en désuétude et fut remplacé par « non-métaux »[7]. Parallèlement les livres de chimie se déclinent en chimie générale, chimie minérale et chimie organique[12].

Concept actuel[modifier | modifier le code]

Le concept de métalloïde se rapporte à un élément chimique qui ne peut être classé ni dans les métaux ni parmi les non-métaux[13], c'est-à-dire dont les propriétés physiques et chimiques sont intermédiaires entre celles d'un métal et d'un non-métal.

Il convient de remarquer qu'il n'existe aucune définition standard précise de « métalloïde » et qu'il n'y a pas de consensus sur les éléments qu'il convient de classer dans cette famille. Il n'est pas mentionné dans le Gold Book de l'IUPAC qui reconnaît en revanche les termes métal et non-métal. Par ailleurs, certains livres de chimie inorganique, actuels[14], voire un peu anciens[15], n'utilisent pas ce terme, alors que d'autres en font usage [16].

Les métalloïdes sont caractérisés par les propriétés suivantes :

Les métalloïdes forment donc une bande oblique dans le tableau périodique entre les métaux et les non-métaux :

Il convient de distinguer les termes métalloïde, semi-métal et semiconducteur, car un métalloïde désigne un groupe d'éléments chimiques tandis que les termes semi-métal et semiconducteur caractérisent des matériaux, y compris des alliages métalliques ou des matériaux organiques.

Certains éléments adjacents à la famille des métalloïdes peuvent avoir des variétés allotropiques qui présentent des comportements métalloïdes : c'est le cas du carbone graphite (alors que le diamant est clairement non-métallique), ainsi que du phosphore, de l'étain et du bismuth.

Il existe un nombre pair d'électrons par cellule unité, de sorte que les bandes de valence devraient être occupées, et les bandes de conduction vacantes, ce qui conduirait à un semi-conducteur. Cependant, dans un semi-métal, la bande de valence et la bande de conduction se recouvrent partiellement. Il en résulte que certains états les plus hauts de la bande de valence sont vacants, et certains états les plus bas de la bande de conduction sont partiellement occupés. Un semi-métal est donc un conducteur dans lequel les porteurs de charge sont soit des trous dans la bande de valence soit des électrons dans la bande de conduction. Il est possible en appliquant une pression de modifier la structure de bande d'un matériau pour produire une transition semi-conducteur → semi-métal.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) D. Bonchev et Verginia Kamenska, « Predicting the properties of the 113-120 transactinide elements », Journal of Physical Chemistry, vol. 85, no 9,‎ , p. 1177-1186 (DOI 10.1021/j150609a021, lire en ligne)
  2. (en) CRC Handbook of Chemistry and Physics, section 1 : Basic Constants, Units, and Conversion Factors, sous-section : Electron Configuration of Neutral Atoms in the Ground State, 84e édition en ligne, CRC Press, Boca Raton, Floride, 2003.
  3. a et b A. Joly, R. Lespieau, Cours élémentaire de chimie Paris, 1908. Hachette. Tome I : Chimie Générale. Tome II : Métalloïdes.
  4. K. Fournel, Guillaume Rumeau, Chimie générale, Paris, 1938. Librairie Delagrave
  5. a, b, c et d K. Fournel et Quevron, Cours de chimie industrielle, Paris, 1931, Librairie Delagrave. Chapitre 1 : Métalloïdes et Métaux
  6. Robert Lespieau, Chimie générale, métalloïdes : cours élémentaire de chimie, Paris, 1919, Hachette
  7. a et b Brunold, Delarue, Chimie, Paris, 1965, Masson. Paragraphe 119 :Métaux et non métaux
  8. a et b Guillaume Rumeau, Cours de chimie : à l'usage de la classe de mathématiques spéciales et des candidats aux grandes écoles, Paris, 1928, Librairie Delagrave. Tome I : Chimie Générale. Tome II : Métalloïdes
  9. a et b P. Fournel, L. Quevron, G. Rumeau,Cours de chimie, notions de chimie générale et métalloïdes à l'usage des candidats aux écoles nationales d'Arts et Métiers, Paris, 1948.
  10. Chimie métalloïdes, à l'usage des candidats aux grandes école - Guillaume Rumeau et Emile Masdupuy - Paris, 1959. Librairie Delagrave.
  11. Brunold, Delarue, Chimie, Paris, 1965, Masson. Programmes
  12. Brunold, Delarue, Chimie, Paris, 1965, Masson. Avant propos
  13. Le terme métalloïde désignait initialement tout élément chimique non métallique, comprenant donc les non-métaux, les halogènes, les gaz rares. Les éléments chimiques intermédiaires entre les métaux et les non-métaux sont aussi désignés par éléments semi-métalliques, ou semi-métaux.
  14. Greenwood N.N. & Eanrshaw A (2003) Chemistry of the elements. 2nd Ed. Elsevier.
  15. Cotton F. A. & Wilkinson G. (1962) Advanced Inorganic Chemistry. 3rd Ed. Wiley-Interscience.
  16. Porterfield W.W. (1993) Inorganic Chemistry. 2nd Ed. Academic Press.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]


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