Bien que les métaux soient cinq fois plus nombreux que les non-métaux, ces derniers constituent la presque totalité des êtres vivants : l'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène et le phosphore sont les constituants majeurs des molécules biologiques, tandis que le soufre et, dans une moindre mesure, le sélénium entrent dans la composition de nombreusesprotéines. L'oxygène constitue à lui seul près de la moitié de la masse de l'écorce terrestre, desocéans et de l'atmosphère. Enfin, l'hydrogène et l'hélium constituent à eux deux plus de 99 % de lamatière baryonique de l'Univers observable.
Non-métaux solides à pression et températures ambiantes
Contrairement aux métaux, les non-métaux forment descorps simples dans lesquels lesatomes sont unis par desliaisons covalentes ou desliaisons intermoléculaires, et non par desliaisons métalliques. En parcourant le tableau périodique vers la droite à partir des métalloïdes, les atomes des corps simples ont tendance à former un nombre décroissant de liaisons covalentes avec les atomes voisins.
Les atomes du carbonediamant, par exemple, établissent des liaisons covalentes avecquatre atomes voisins disposés au sommet d'untétraèdre régulier, ce qui confère une dureté exceptionnelle à lastructure cristalline résultante. Les atomes du carbonegraphite, quant à eux, établissent des liaisons avectrois atomes voisins pour former une structure hexagonale plane. Ceux duphosphore blanc établissent également trois liaisons, pour former une molécule P4tétraédrique, tandis que lephosphore noir est caractérisé par une structure rappelant celle du graphite, dans laquelle chaque atome est lié à trois autres.
Les atomes desoufre établissent, quant à eux, des liaisons avecdeux atomes voisins pour former une structure cyclique decyclooctasoufre S8. Lesélénium rouge présente également de tels cycles Se8, mais le sélénium gris, qui est unsemiconducteur, présente une structure formée de chaînes linéaires dans laquelle chaque atome est lié à deux autres.
Enfin, lesgaz nobles sontmonoatomiques : chaque atome reste seul et n'a aucun autre atome lié par covalence.
Cette tendance progressive à la réduction du nombre de liaisons covalentes par atome va de pair avec l'affirmation croissante du caractère non métallique du corps simple. Elle permet ainsi de classer les non-métaux en troisfamilles :
lesnon-métaux polyatomiques, formant quatre, trois ou deux liaisons covalentes par atome, et qui sont tous solides à température et pression ambiantes, pouvant présenter des propriétés les rapprochant des métalloïdes (carbone graphite, sélénium gris et phosphore noir par exemple) ;
Structure du cyclo-octasoufre S8,allotrope le plus abondant dusoufre.
Il existe quatre non-métaux polyatomiques à l'état standard : lecarbone, lephosphore, lesoufre et lesélénium. Leurcoordinence va de 4 pour lediamant à 2 pour le soufre et le sélénium en passant par 3 pour legraphite et le phosphore. Ils sont tous solides à l'état standard, et présentent un caractèremétallique plus marqués que les autres non-métaux. Ils possèdent ainsi généralement unallotropesemiconducteur, comme le carbone graphite et le sélénium gris.
Le soufre est le moins métallique des quatre, ses allotropes étant plutôt cassants et vitreux, avec une faibleconductivité électrique. Il peut néanmoins présenter des aspects métalliques, par exemple à travers la malléabilité du soufre amorphe et l'apparence métallique dupolythiazyle (SN)x, qui évoque lebronze.
Les non-métaux polyatomiques se distinguent parmi les non-métaux par leur coordinence élevée ainsi que par latempérature de fusion et latempérature d'ébullition élevées de leur formethermodynamiquement la plus stable. Ils possèdent également l'amplitude liquide la plus large (c'est-à-dire l'intervalle de températures auxquelles ils sont liquides àpression atmosphérique) ainsi que la plus faible volatilité à température ambiante.
Ils présentent par ailleurs uneallotropie développée ainsi qu'une tendance marquée à lacaténation, mais une faible affinité avec lesliaisons hydrogène. L'aptitude du carbone à la caténation est fondamentale à la fois enchimie organique et enbiochimie, dans la mesure où elle est à la base de toute la chimie deshydrocarbures et assure l'existence des chaînes carbonées constituant l'ossature d'innombrables molécules biologiques.
Il existe sept non-métaux diatomiques à l'état standard : l'hydrogène (H2), l'azote (N2), l'oxygène (O2), lefluor (F2), lechlore (Cl2), lebrome (Br2) et l'iode (I2). Cinq d'entre eux sont gazeux à température et pression ambiantes, les deux autres étant volatils à température ambiante. Ce sont généralement de très bonsisolants électriques, et sont trèsélectronégatifs. Les exceptions à ces règles générales résident aux extrémités de lafamille : l'hydrogène est faiblement électronégatif en raison de saconfiguration électronique particulière, tandis que l'iode sous forme cristallisée estsemiconducteur dans le plan de ses couches atomiques, mais isolant dans la direction orthogonale[2].
Les non-métaux diatomiques sont caractérisés par leurcoordinence égale à 1 ainsi que par leurtempérature de fusion et leurtempérature d'ébullition plus basses que celle des non-métaux polyatomiques. Leur amplitude liquide est également plus étroite, et ceux qui ne sont pas condensés sont plus volatils à température ambiante. Ils présentent uneallotropie moins développée que celles des non-métaux polyatomiques, ainsi qu'une tendance moins marquée à laconcaténation. Ils présentent en revanche une aptitude plus marquée à établir desliaisons hydrogène. Enfin, leurénergie d'ionisation est également plus élevée.
• États d'oxydation positifs et négatifs pour tous ces éléments • De ‒4 pourC jusqu'à +6 pourS etSe
• États d'oxydation négatifs pour tous ces éléments, mais instable pourH • États d'oxydation positifs pour tous ces éléments sauf leF, exceptionnellement pourO • De ‒3 pourN à +7 pourCl,Br etI
• Seuls les états d'oxydation positifs ont été observés, et seulement pour les gaz nobles les plus lourds • de +2 pourKr,Xe etRn à +8 pourXe
• Au moins une forme polymérique pour tous ces éléments • La plupart de ces éléments (P,S,Se) forment desverres ; ledioxyde de carbone CO2 forme un verre à40GPa
• Les oxydes d'iode existent sous forme polymérique • Ces éléments ne forment pas de verres
• LeXeO2 est polymérique ; les oxydes des autres gaz nobles sont moléculaires • Ces éléments ne forment pas de verres
De nombreux non-métaux possèdent plusieursformes allotropiques présentant des propriétés plus ou moinsmétalliques selon les cas. Legraphite,état standard ducarbone, présente ainsi une apparence luisante et est un assez bonconducteur de l'électricité. Lediamant, en revanche, présente une apparence transparente et est un mauvais conducteur de l'électricité, de sorte qu'il n'est clairement pas métallique. Il existe d'autre allotropes du carbone, comme lebuckminsterfullerène C60. L'azote peut former, outre lediazote N2 standard, dutétrazote N4, allotrope gazeux instable dont la durée de vie est de l'ordre de lamicroseconde[5]. L'oxygène standard estdiatomique sous forme dedioxygène O2 mais existe également commemolécule triatomique sous forme d'ozone O3 instable ayant une durée de vie de l'ordre de la demi-heure. Lephosphore présente la particularité d'avoir des allotropes plus stables que son état standard, lephosphore blanc P4. Ainsi, lephosphore rouge dérive du phosphore blanc par chauffage au-dessus de300 °C. Il est d'abordamorphe, puis cristallise dans le système cubique si l'on poursuit le chauffage. Lephosphore noir est la formethermodynamiquement stable du phosphore, de structure semblable au graphite, avec un éclat brillant et de semblables qualités électriques. Le phosphore existe également sous forme dediphosphore P2 instable[6]. Lesoufre possède davantage d'allotropes que n'importe quel autre élément. Hormis le soufre dit plastique, tous sont non métalliques. Lesélénium possède plusieurs isotopes non métalliques et une forme conductrice de l'électricité, le sélénium gris. L'iode existe également sous forme amorphe semiconductrice[7].
Parmi les non-métaux, il est assez courant de considérer à part lesfamilles deshalogènes et desgaz nobles, qui présentent des propriétés chimiques très caractéristiques, laissant comme « autres non-métaux » l'hydrogène, lecarbone, l'azote, l'oxygène, lephosphore, lesoufre et lesélénium, collectivement représentés par l'acronyme « CHNOPS ».
Lesgaz nobles forment en effet une famille nettement individualisée parmi les non-métaux en raison de leur inertie chimique remarquable, totale pour les deux plus légers —hélium etnéon — et laissant place à une réactivité chimique très faible à mesure qu'on descend le long de la18e colonne, de sorte que lexénon est le plus réactif de la famille — la chimie duradon est mal connue en raison de laradioactivité de cet élément.
À l'inverse des gaz nobles, leshalogènes sont particulièrement réactifs, mais leur réactivité chimique décroît à mesure qu'on descend le long de la17e colonne. Lefluor est ainsi le plus réactif des quatre, formant descomposés avec pratiquement tous les autres éléments chimiques, hormis l'hélium et le néon.
Les sept non-métaux qui n'appartiennent pas à ces deux familles chimiques se trouvent être les sept constituants principaux de la matière vivante, ce qui leur a valu d'être regroupés sous l'acronyme CHNOPS — qui n'inclut cependant pas lesélénium — notamment dans le domaine de l'exobiologie et dessciences de l'environnement[8]. Le tableau ci-dessous résume quelques-unes de leurs propriétés :
↑Lecarbone existe ainsi sous forme degraphite étendu[3] ou denanotubes de longueur métrique, lephosphore existe commephosphore blanc souple et aussi mou que de lacire, pouvant être coupé au couteau à température ambiante, lesoufre existe sous forme plastique, et lesélénium sous forme fil.
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