5 Propriétés fondamentales des non-métaux

Un tableau périodique simple montrant le symbole atomique et le numéro atomique. Crédit : WikiCommons CC0 1.0

En chimie, le terme  » non-métal  » désigne les éléments et composés dépourvus de caractère métallique. Bien qu’ils ne représentent que 17 des 118 éléments connus, les non-métaux font partie des éléments les plus importants, essentiels à la vie telle que nous la connaissons. Parmi les exemples de non-métaux, citons le carbone, l’oxygène, l’azote et l’hydrogène ; tous sont les éléments de base des composés organiques.

Par rapport aux métaux, les non-métaux affichent une gamme de propriétés très variable, en termes de comportement atomique et chimique. Cela est dû au fait que les non-métaux diffèrent largement en termes de forces de liaison interatomique et intermoléculaire. La plupart des non-métaux ont tendance à être des gaz à température et pression normales et ont une faible densité. Tous les non-métaux sont situés à droite du tableau périodique dans le bloc p des éléments (sauf l’hydrogène). Les propriétés couramment observées chez les non-métaux sont :

• pour les liaisons ioniques/covalentes
• fragile et non malléable
• points de fusion/ébullition bas

.

• Énergie d’ionisation et électronégativité élevées
• mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité

Cette liste de propriétés n’est ni essentielle ni exhaustive. Certains non-métaux ont toutes ces propriétés, d’autres en ont très peu. Le graphite, par exemple, est un composé non métallique qui est un très bon conducteur d’électricité et est utilisé dans les équipements électroniques. Les polymères tels que le plastique sont des chaînes de molécules liées de manière covalente qui sont malléables et peuvent être façonnées.

Les types de non-métaux

Généralement, les non-métaux sont divisés en deux catégories : les non-métaux réactifs et les halogènes. Les non-métaux réactifs ont tendance à présenter plus de variations dans leurs propriétés physiques et chimiques. Certains, comme le carbone et le soufre, sont solides à température ambiante et sont moins électronégatifs. D’autres, comme l’oxygène, sont des gaz à température ambiante et sont très électronégatifs. Les non-métaux réactifs comprennent également les halogènes, éléments du groupe 17 du tableau périodique. Tous les halogènes ont une couche de valence de 7 électrons, ils sont donc extrêmement réactifs et forment facilement des ions négatifs. Les différents non-métaux réactifs sont :

• Hydrogène (H)
• Carbone (C)
• Azote (N)
• Oxygène (O)
• Phosphore (P)
• Soufre (S)
• Sélénium (Se)

Les halogènes sont :

• Fluor (F)
• Chlore (Cl)
• Brome (B)
• Iode (I)
• Astate (As)

En revanche, les gaz nobles sont caractérisés par leur comportement chimique inerte. Les gaz nobles ont une coquille de valence complète de 8 électrons, ils existent donc dans une configuration électronique très stable. En tant que tels, les gaz nobles ne réagissent généralement pas avec d’autres éléments pour former des composés. Les gaz nobles sont :

• Hélium (He)
• Néon (Ne)

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• Argon (Ar)
• Krypton (Kr)
• Xénon (Xe)
• Radon (Rn)
• Élément 118 (oganesson. Og)

5 Propriétés des non-métaux

Former des liaisons covalentes/ioniques

L’une des principales caractéristiques des non-métaux est qu’ils forment des composés chimiques en établissant des liaisons covalentes et ioniques. Dans les liaisons covalentes, deux éléments partagent des électrons de valence jusqu’à ce qu’ils aient une enveloppe complète. Les composés covalents les plus courants sont le dioxyde de carbone, l’éthanol (alcool), le glucose et le tétrachlorure de carbone. Les éléments des composés covalents partagent leurs électrons afin que chacun d’eux puisse atteindre une configuration électronique stable. Les composés covalents ont tendance à présenter le plus de variations dans leur géométrie moléculaire. Les composés covalents prennent une forme qui minimise la quantité de répulsion électrostatique entre les paires d’électrons. Les liaisons covalentes se forment normalement entre deux non-métaux.

A l’inverse, les liaisons ioniques ont tendance à se former entre les non-métaux et les métaux. Dans les liaisons ioniques, un élément prend des électrons à un autre, ce qui crée un cation et un anion. Les ions de charge opposée s’attirent et s’agglomèrent pour former des composés ioniques. Les composés ioniques courants sont le sel de table, le carbonate, le sulfate et le chlorure de potassium. Les liaisons ioniques ont tendance à se former entre des éléments dont les électronégativités sont très différentes (ΔEN > 2.0). La plupart des composés ioniques s’organisent en une structure périodique d’ions connue sous le nom de réseau.

Fragile

La plupart des composés covalents et ioniques constitués de non-métaux ont tendance à être fragiles et à se briser si une force suffisamment importante est appliquée. Contrairement aux métaux, les composés non métalliques ne sont pas malléables et ductiles. La plupart des composés non métalliques ne peuvent pas être déformés au-delà d’un certain point sans se casser et perdent leur résistance lorsqu’ils sont moulés.

Les composés non métalliques ont tendance à être fragiles en raison de la nature de leurs liaisons ioniques et covalentes. Les liaisons ioniques et covalentes impliquent le partage/capture d’électrons. Les deux types de composés s’organisent de manière à minimiser les répulsions électrostatiques. Par exemple, dans un composé ionique, les atomes positifs et négatifs sont enfermés dans une structure cristalline serrée, avec des ions positifs alignés sur des ions négatifs. L’application d’une force peut déplacer l’alignement des ions de sorte que les positifs s’alignent avec les positifs et les négatifs avec les négatifs. La répulsion provoque la fracture du composé.

De même, les liaisons covalentes nécessitent que les électrons et les atomes soient disposés d’une manière particulière. l’application d’une force mécanique perturbe cet arrangement, provoquant la fracture du composé. En revanche, les liaisons métalliques peuvent se déplacer et glisser les unes sur les autres grâce à leurs liaisons électroniques délocalisées. C’est pourquoi les métaux sont ductiles et malléables, ils peuvent modifier leur structure atomique sans rompre leurs liaisons chimiques.

Points de fusion/ébullition bas

Il n’est pas vrai que tous les composés non métalliques ont des points de fusion et d’ébullition bas. Le sel, par exemple, a un point de fusion de 801 °C, ce qui est très élevé. Cependant, par rapport aux métaux, les composés non métalliques ont des points de fusion et d’ébullition relativement bas. Les points de fusion et d’ébullition bas expliquent pourquoi la majorité des non-métaux sont gazeux à température ambiante.

Les composés non métalliques, spécifiquement les composés covalents, ont des points de fusion et d’ébullition bas en raison de leurs interactions intermoléculaires relativement faibles. Le comportement de phase d’une substance est déterminé par la force de ses liaisons intermoléculaires. Les métaux ont des points de fusion et d’ébullition très élevés car ils ont des attractions intermoléculaires très fortes. Les composés covalents, en revanche, n’ont pas de fortes attractions intermoléculaires. En effet, la plupart des molécules covalentes sont électriquement neutres et n’attirent donc pas leurs voisines, du moins, pas dans la mesure où les métaux le font.

Les composés ioniques ont des points de fusion/ébullition plus élevés que les composés covalents, mais toujours inférieurs à ceux des métaux. Le chauffage d’un composé ionique augmente l’énergie cinétique des particules. au-delà d’un certain seuil, l’énergie cinétique l’emporte sur l’attraction électrostatique et la structure du réseau se désagrège. En revanche, les métaux ont des points de fusion/ébullition très élevés car leurs atomes peuvent se déplacer sans rompre les liaisons chimiques.

Énergie d’ionisation élevée/électronégativité

Les non-métaux ont tendance à avoir des énergies d’ionisation élevées. Cela signifie qu’il est difficile de retirer des électrons des atomes non métalliques. Les non-métaux ont des énergies d’ionisation élevées en raison de la taille de leurs noyaux par rapport au degré de remplissage de leurs enveloppes électroniques. Les gros noyaux chargés positivement d’atomes comme l’oxygène et le fluor attirent très fortement leurs électrons, ce qui les rend difficiles à éliminer.

La même raison explique pourquoi les non-métaux ont également tendance à être plus électronégatifs que les métaux. Les noyaux chargés positivement des non-métaux exercent une forte attraction sur les électrons, suffisamment forte pour parfois les retirer des atomes voisins. en général, plus on va vers la gauche sur le tableau périodique, plus les énergies d’ionisation et les électronégativités sont élevées.

Mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité

Les non-métaux ont également tendance à être de relativement mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité, bien que certaines exceptions existent. La raison pour laquelle les non-métaux sont de mauvais conducteurs est liée à la raison pour laquelle les métaux sont comparativement de bons conducteurs. Les métaux conduisent bien la chaleur car ils peuvent absorber beaucoup d’énergie cinétique sans rompre leurs liaisons. Les non-métaux, en revanche, ont besoin d’un arrangement fixe d’atomes pour rester stables, de sorte qu’une trop grande quantité d’énergie cinétique viendra à bout de leurs liaisons. Les métaux sont de bons conducteurs d’électricité car ils possèdent de nombreuses orbites ouvertes dans lesquelles les électrons peuvent se déplacer. Les non-métaux ont tendance à avoir des orbitales complètes, de sorte que les électrons n’ont aucun endroit où aller lorsqu’ils sont soumis à une tension.

Le cas curieux de l’hydrogène : Métal ou non-métal ?

Généralement, le tout premier élément, l’hydrogène, est classé parmi les non-métaux. Cependant, l’hydrogène possède un mélange très unique de propriétés qui le rendent difficile à classer comme un métal ou un non-métal. Par exemple, l’hydrogène s’engage dans des liaisons covalentes et existe naturellement sous forme de gaz, comme un non-métal. Cependant, l’hydrogène se débarrasse aussi facilement de son électron unique pour former des ions chargés positivement, une propriété que l’on retrouve surtout chez les métaux. Le mélange unique de propriétés de l’hydrogène résulte de sa structure atomique très simple.

En 1935, les physiciens Eugene Wigner et Hillard Huntington ont prédit qu’à des températures et des pressions extrêmement élevées, l’hydrogène se condenserait en un liquide ou un solide métallique. Cette phase exotique de l’hydrogène est censée se comporter comme un métal et être un très bon conducteur de chaleur et d’électricité. Jusqu’à présent, l’hydrogène n’a été observé qu’à l’état gazeux, mais on pense que de l’hydrogène métallique liquide pourrait exister au cœur de planètes géantes gazeuses comme Jupiter ou Saturne. Un noyau dense d’hydrogène métallique liquide expliquerait les champs magnétiques extrêmement puissants des géantes gazeuses qui sont en contradiction avec les prédictions classiques.

En résumé, un non-métal est un produit chimique qui se caractérise par une absence de propriétés métalliques. Les non-métaux sont généralement gazeux ou liquides à température ambiante et sont divisés entre les non-métaux réactifs et les gaz nobles. Les non-métaux s’engagent dans des liaisons covalentes, forment des composés fragiles et cassants, ont des points de fusion/ébullition bas, ont des énergies d’ionisation et une électronégativité élevées et sont de mauvais conducteurs d’électricité. Les non-métaux sont chimiquement plus variables que les métaux en raison de leur gamme relativement large de tailles de noyaux atomiques et de configurations électroniques. Tous les non-métaux sont situés dans le bloc p du tableau périodique.